もんじゅが莫大な費用をつぎ込みつつも現時点で実用化されていないことからわかるように、軽水冷却発電技術の延長上で高速増殖炉を実現できれば、使用済燃料処理処分やウラン資源有効利用のための核燃料サイクル実用化の途が開けることから、非常に望ましいのは説明するまでもないだろう。

　使用済燃料を再処理し、核燃料サイクルを産業として実現することは、資源の有効利用のみならず、放射性廃棄物問題への対応の点でも必要なのである。

　核燃料サイクル技術“高転換軽水炉”
　国内では、2011年3月の東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の事故に伴い、原子力発電は一般的には否定的な意見が大勢を占めており、今後、段階的に廃炉にされていく方向だが(建設中の発電所も複数ある)、実は世界では原子力発電は進められている(ドイツのように原子力からの脱却を決定した国家もある)。

　よって、使用済燃料の処分方策としての核燃料サイクル技術を確立することは、日本の原子力発電技術を国際展開する場合に、使用済燃料処分のオプションを提供できる点で日本の立場を強化できるというメリットもあるというわけだ。

　原子力発電技術の開発の歴史は、1970年代に入って軽水炉の実用化時代の長期化を背景として、高転換軽水炉が世界的に研究されるようになり、日本国内ではメーカーや研究開発機関による研究が行われてきた。

　これまで最高の増殖性能を示したものは「軸方向二重非均質炉心」の「低減速沸騰水型炉(RMWR)」である。しかし、「核分裂物質炉心装荷量」が大きいため「複合システム増殖時間」は約245年もあり、液体金属冷却炉のような高い増殖性は達成できておらず、そこが弱点となっていた。

　ちなみに複合システム増倍時間は「複利システム増倍時間」とも呼ばれ、単純にいうと、生成されるプルトニウムなどの核分裂性物質(燃料)の量が最初に使い出した時の2倍になるまでの年数のことである。

　この場合の計算は、最初に複数の高速炉を稼動させていた1基分の燃料が生成されたら、ただちに新たに1基の高速炉を追加で稼動させ、またもう1基分が生成されたら、さらに次の高速炉を稼動させるというもので、どんどん増える量が増していく仕組みだ。

　この複合システム増殖時間は50年を切ることが、理想としてされている。その理由は、日本を含む先進7カ国の平均的なエネルギー需要の伸びが約50年で2倍になると計算されているからだ。

　エネルギー需要の伸びは国民総生産(GDP)の伸びと比例関係にあり、経済協力開発機構(OECD)のデータによると日本を含む先進7カ国の最近の10年間の平均成長率は1.4%。結果として、約50年でエネルギー需要が2倍になるので、複合システム増倍時間は50年を切ることが望ましいとされるのである。（マイナビニュース）

　水対燃料体積の低減
　それには増殖性能を向上させる必要があり、その対応方法としてこれまでの研究から判明していることが、水対燃料体積を低減させることだ。つまり、水/燃料の値を小さくするということであり、水の体積が同じなら燃料の体積を増やすか、燃料の体積が同じなら水を減らすということだ。これまでのところRMWRでは、燃料棒の間隔を狭くした稠密燃料格子を用いることで水対燃料体積の低減が実現されている。

　そして今回、岡特任教授らが考案したのが、水対燃料体積比をさらに低減する構造であり、それは燃料棒を隙間なく束ねる新燃料集合体を用いるということだ。その新燃料集合体の内の3本を拡大し、燃料棒で囲まれる流路(燃料格子)を示したのが画像4である。

　燃料集合体は隙間なく束ねられており、3本の燃料棒で囲まれる領域の中央に円管状の流路がある構造だ。これにより冷却流路面積が減って、水対燃料体積比が低減するというわけである。ただし、円環状の流路がもっとも冷却効率的に見て優れているかというと、そうではないため、もっと隙間に合わせたような形も研究しているという。

　新燃料集合体では、従来の燃料棒のように上下端で端栓が被覆管に溶接されているので、燃料棒の放射能の密封性を損なうことなく水対燃料体積比を低減できる。

　なお、新燃料棒を用いた場合の増殖性能(複合システム増倍時間)は43年であり、RMWR(低減速BWR)の5分の1以下という非常に高性能を実現している。50年を切っており、前述した日本を含む先進国の平均的なエネルギー需要の伸びを上回る高増殖性を達成できる計算だ。

　今後は、まず今回の設計値が、第4世代として現在世界中で開発が進められている「スーパー軽水炉」「スーパー高速炉」と呼ばれる「超臨界圧軽水冷却原子炉」のものなので、現行の沸騰型軽水炉の条件での設計を行うとしている。そのほか、安全性の確認、温度分布なども含めた新燃料集合体の詳細設計と試験、原型炉での性能確認などが挙げられた。

　実際に原子炉を開発しての実機による試験などは、メーカーや日本原子力研究開発機構などの範疇となるため、今回の「理論上は可能である」という発表は、メーカーや日本原子力研究開発機構などに影響を与えることを狙いとしているという。今後、メーカーなどから岡特任教授へ協力の要請があれば、いつでも行うとしている。

　今回の発表は計算上のものではあるが、発電用に長年用いられてきた軽水冷却技術により高増殖が可能になることから、波及効果や社会的影響として大きいのは間違いない。

　経験豊富な軽水炉の技術を用いて高速増殖炉が実現し、大量の使用済み核燃料の処理処分、核燃料サイクルの実用化の展開をもたらし、原子力の国際展開、平和利用に役立つという意味を考えれば、重要な意義を持つ発表であるといえる。（マイナビニュース）

　軽水炉とは何か？
　軽水とはふつうの水のこと。ふつうの水は中性子減速能が大きく、中性子吸収能も大きい。通常は減速材が冷却材を兼ねる。軽水は安価で大量に入手することができ、火力発電で使用されているため性状が良くわかっている。

　反面、吸収能が大きいため軽水冷却炉では濃縮されたウラン燃料を用いて発生する中性子の数を増やす必要がある。

　主な軽水炉には次の2つのタイプがある。沸騰水型原子炉（軽水減速軽水冷却圧力容器型沸騰水炉，Boiling Water Reactor, BWR：BWR）、
加圧水型原子炉（軽水減速軽水冷却圧力容器型加圧水炉，Pressurized Water Reactor：PWR）

　なお減速材の違いから、重水炉（重水） 黒鉛炉（黒鉛） 高速増殖炉（無し）などの原子炉もある。

　高速増殖炉とは何か？
　高速増殖炉（Fast Breeder Reactor：FBR）とは、核分裂で発生した中性子を減速せずに次の分裂に入る方式を言う。 通常の原子炉における燃料転換率は1未満であるが、高速増殖炉においては、燃料転換率（燃料増殖率）1.4を実現している。

　軽水炉との違いは2つある。1つは燃料の違い。もう1つは冷却材の違いである。

　「燃料」はMOX燃料を使う。MOX燃料には、燃料となるプルトニウム239と微量ウラン235、および核分裂を起こさないウラン238が含まれている。

　高速増殖炉では、反応しないウラン238を反応するプルトニウム239に転換するのに適した原子炉で、プルトニウムの燃焼による発電をしながら、燃料を使用前以上に増やすことが出来るという画期的な原子炉である。

　これにより、通常は85年程度で枯渇すると言われたウラン資源を100倍活用することを目指している。なおMOX燃料を通常の軽水炉で燃やす計画を「プルサーマル」という。

　「冷却材」とは核分裂で発生した熱を原子炉から取り出す流体のこと。「冷却材」の取り出した熱で蒸気をつくり、タービンを回し発電をするのはどの原子炉にも共通している。

　軽水炉においては冷却材として軽水（普通の水）が使用されているのに対して、高速増殖炉では金属ナトリウムを使用している。

　軽水炉で水が使われるのは冷却材としてのはたらき以外に中性子の減速材としても使われるからである。減速材とは中性子の速度を遅くし、ゆっくりと反応させるものである。

　これに対し高速増殖炉では、燃料を燃やしながら、同時に高速中性子でプルトニウムをつくることを目的としているので減速材は使わない。そこで冷却材といして、熱伝導性のよい金属ナトリウムを使う。

　高速増殖炉実用化は厳しい
　冷却材として使用される金属ナトリウム（水と激しく反応し水素を発生する）の管理に高い技術が必要であること、通常の原子炉よりも費用がかかること、現在開発中の炉の多くが何らかの事故を起こしていることなど、経済性や安全面から開発を断念する国が後を絶たない。

　日本でも、高速増殖炉原型炉もんじゅで金属ナトリウム漏洩事故があって以来、高速増殖炉開発および、プルサーマル計画は中断されたままである。

　また、ウラン燃料は、ウラン235の半減期が約7億年と長いことから通常状態において殆ど放射線を出さないのに対し、プルトニウムを含む燃料は、プルトニウム239の半減期が約2万4千年とウラン235と比較して非常に短いため放射能が極めて強く、プルトニウムの使用やプルトニウムの海上輸送に対する反発の声が高まっている。そのため、高速増殖炉の開発は一層困難な状況にある。

　今回の研究成果が実用できるならば、危険な金属ナトリウムも使わず、これまでの設備をそのまま使える。今まで処分の難しかった核燃料廃棄物が、中性子を吸収してPu239という燃料に変わる。これにより、リサイクルが可能になり、通常は85年程度で枯渇すると言われたウラン資源を100倍活用できる。

　それにしても、核燃料集合体のデザインを変えるだけで済む、このアイデアは素晴らしい。エネルギーの少ない日本、この技術を確立してエネルギーを確保し、次世代の再生可能エネルギーを実用レベルまで研究を進めておきたい。

参考HP　早稲田大学プレス：世界初、軽水冷却原子炉による高増殖性能について　マイナビニュース：早大、世界初の軽水冷却原子炉で高増殖性能を計算上達成

	プルサーマルの科学―21世紀のエネルギー技術を見通す (朝日選書)
	クリエーター情報なし
	朝日新聞社

	核燃料サイクル20年の真実―六ケ所村再処理工場始動へ (電気新聞ブックス)
	クリエーター情報なし
	日本電気協会新聞部

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