プルサーマル

概要

プルサーマルとは、使用済みの核燃料を再処理して取り出したプルトニウムを、既存の軽水炉（熱中性子炉）の燃料の一部として利用する方式です。これは、核燃料サイクルにおいて、核燃料を有効活用し、放射性廃棄物を減らすことを目指す取り組みの一つです。

「プルサーマル」という名称は、プルトニウムを意味する「プル（plutonium）」と、熱中性子炉を意味する「サーマルニュートロン・リアクター（thermal neutron reactor）」の「サーマル」を組み合わせた略語（plutonium thermal use）から来ています。

仕組みと通常の軽水炉との違い

通常の軽水炉では、主にウラン燃料（二酸化ウラン）を使用し、ウラン235の核分裂でエネルギーを得ます。運転中にウラン238からプルトニウム239が生成され、このプルトニウムも核分裂するため、全発電量の約30%は運転中に生まれたプルトニウムによるものです。

プルサーマル方式では、「MOX燃料（Mixed Oxide Fuel）」と呼ばれる、ウランとプルトニウムを混ぜ合わせた酸化物燃料を炉心の一部または全体に装荷します。プルサーマル用のMOX燃料はプルトニウム含有率が4～9%程度です。MOX燃料を炉心に導入することで、発電量全体に占めるプルトニウムによる発電の割合が平均で50%を超える水準になります。

参考として、高速増殖炉でもMOX燃料が使われますが、そちらのプルトニウム含有率は20%前後と、軽水炉向けよりも高いです。

目的と利点

プルサーマル方式を導入する主な目的は、使用済み核燃料問題への対応と資源の有効活用です。

放射性廃棄物の長期管理負担軽減: 使用済み核燃料をそのまま処分する「ワンススルー方式」の場合、放射能が減衰するまで数万年の管理が必要となります。プルサーマルでは、再処理によってプルトニウムなどの長寿命核種を分離し、燃料として利用することで、比較的短い期間で放射能レベルが低下する核分裂生成物へ変換できます。これにより、長期にわたる厳重な管理が必要な放射性物質の量を減らし、最終処分場の規模を縮小できる見込みがあります。
資源の有効利用: ウラン資源が持つ潜在的なエネルギーをより効率的に利用できます。通常の軽水炉でのエネルギー利用率が約0.5%程度であるのに対し、プルサーマルを導入することで約0.75%程度に向上するとされています。
既存設備の活用: 基本的な原子炉設備は既存の軽水炉を流用できるため、新たな炉型を開発するよりも早期の実用化が期待できます。
核拡散防止への寄与: 余剰なプルトニウムを保有しないという国際的な約束を守る上で、プルトニウムを燃料として消費するプルサーマルは有効な手段と考えられています。

欠点と課題

プルサーマル方式には、経済面や技術面でいくつかの課題や懸念が指摘されています。

コスト: 使用済み燃料の再処理にかかる費用が高額であり、ウラン資源の市場価格が比較的安定している現在、経済的には通常のウラン燃料を使うよりも割高になる傾向があります。
放射性廃棄物総量の増加: 再処理やMOX燃料の加工工程で、低レベル放射性廃棄物（使用済み防護服、廃水など）を含めた最終的な放射性廃棄物全体の総量が増加する可能性があります。
燃料の劣化: MOX燃料は、通常のウラン燃料に比べて燃焼中に核分裂生成物として中性子を吸収しやすい物質が生成されやすく、燃料の劣化（高次化）が進みやすい特性があります。これにより、燃料として使い続けられる回数に限界が生じます（原則として1回、最大でも2回程度の再利用に限られます）。
炉心特性の変化: プルトニウムはウランに比べて遅発中性子の発生割合が少ないため、原子炉の出力を制御する制御棒やホウ酸の効きが低下する傾向があり、炉心設計や運転管理に特別な配慮が必要です。
事故時のリスク: 万が一、冷却機能の異常など特定の事故が発生した場合、原子炉の出力が通常より速く上昇し、高くなる傾向があるため、燃料設計や炉心内の配置に十分な安全対策が求められます。また、事故時には通常のウラン燃料を使用している場合に比べて、放射性の高い超ウラン元素が環境中に放出されるリスクが高まる可能性も指摘されています。
被曝リスク: 使用済みMOX燃料は、通常のウラン燃料に比べて放射能レベルが高いため、取り扱い作業における作業員の被曝リスクが増加します。

国内外の動向

海外

冷戦終結による核兵器解体で生じたプルトニウムの余剰問題への対応や、高速増殖炉開発の遅れを受け、プルサーマルがプルトニウム処理方法の一つとして注目されました。ヨーロッパではベルギー、ドイツ、フランスなどで比較的長いプルサーマルの経験があり、オランダやスウェーデンでも実施実績があります。しかし、ドイツなど一部の国は既に抽出されたプルトニウム在庫の燃焼をもって終了する方針で、現在も積極的に再処理・プルサーマルを続けるのはフランスが中心です。アメリカでも導入の動きがありましたが、計画は中止されています。

日本

日本では、高速増殖炉「もんじゅ」の開発が遅れたことを受け、プルサーマル計画が本格化しました。国の安全審査や地元自治体の事前了解が進められましたが、住民の反対運動などにより計画は遅延しました。佐賀県の玄海原子力発電所3号機や、福井県の高浜原子力発電所3・4号機などで地元同意が得られ、実際にプルサーマル発電が実施されました。しかし、2011年3月の福島第一原子力発電所事故により、計画の先行きは不透明になりました。

現在までにプルサーマル発電を実施した実績のある日本の原子炉は以下の4基です（うち福島第一3号機は事故により運転停止）。

関西電力高浜発電所3号機
四国電力伊方発電所3号機
九州電力玄海原子力発電所3号機
東京電力福島第一原子力発電所3号機

その他、複数の原発で事前合意済みまたは計画中ですが、福島第一原発事故や核燃料検査データ不正問題などにより、計画は全体的に大幅な遅延が生じています。

プルサーマルは、使用済み核燃料問題や資源有効利用といった課題への対応策として期待される一方、コスト、安全、技術など多岐にわたる課題を抱えながらその推進が図られています。

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