群分離

群分離（Partitioning）

概要

原子力発電に使用された後の燃料を再処理する過程で、必然的に大量の高レベル放射性廃液が発生します。この廃液には、ウランやプルトニウムが核分裂した際に生じる多様な放射性物質（核分裂生成物）や、これらが放射線を出す過程で生成される超ウラン元素などが含まれています。これらの放射性物質は、それぞれ毒性の高さや放射能が半減するまでの期間（半減期）が大きく異なり、中には千年を超える半減期を持つものや、強い放射線を放出するものも含まれています。

このように性質の異なる物質が混在したままの状態で高レベル放射性廃液を長期間にわたって安全に管理することは、大きな課題となります。そこで考えられるのが、含まれている放射性物質を、その半減期や化学的な性質に基づいていくつかのグループに分別する技術です。この分別プロセスを「群分離」と呼びます。

群分離によって、例えば寿命の長い超ウラン元素のグループ、比較的寿命は短いが発熱量の大きい特定の核分裂生成物（セシウム137やストロンチウム90など）のグループ、そしてその他の比較的扱いやすいグループといった具合に、廃液を区分けすることが可能になります。このように分別することで、それぞれのグループの性質に適したより安全で効率的な処理や処分方法を選択できるようになります。

群分離の利点と課題

群分離を行うことの主な利点は、放射性廃棄物の処分における安全性の向上と効率化です。特定の長寿命核種を分離することで、それを「核変換」と呼ばれる技術を用いて放射能の害の少ない別の核種に変えるといった、より高度な処理の適用が可能になる場合があります。また、発熱量の大きい核種を分離すれば、ガラス固化体の発熱を抑えられ、最終処分場での単位面積あたりの廃棄物量を増やせる可能性があり、処分場の面積を削減できると試算されています。

現在、群分離の技術開発は進められており、実験室の規模では一定の成功を収めています。しかし、これを実際の高レベル放射性廃液を扱う大規模なプラントに応用するためには、プロセスの規模拡大（スケールアップ）や、分離過程で生じる新たな放射性廃棄物（二次廃棄物）をいかに少なくするかといった、いくつかの技術的な課題が残されています。

分離対象の例

日本で行われている研究では、高レベル放射性廃液を以下のような四つのグループに分離することが提案されています。

1. マイナーアクチノイドおよび超長半減期核分裂生成物（LLFP）群: プルトニウム以外の超ウラン元素（マイナーアクチノイド、MA）や、半減期が非常に長い特定の核分裂生成物（テクネチウムなど、LLFP）が含まれます。これらの核種は放射能は比較的低いものが多いですが、非常に長い期間にわたって放射線を出し続けるため、長期的な管理が必要です。これらを分離し、高速炉や加速器駆動システムを用いた核変換技術で処理することが検討されています。
2. 有用元素群: 触媒として重要な白金族元素など、希少価値の高い金属が含まれるグループです。これらの元素はガラス固化のプロセスに影響を与える可能性がある一方で、資源としての再利用が期待されています。分離して貯蔵し、必要に応じて資源として活用する可能性が模索されています。
3. 発熱性元素群: セシウム137やストロンチウム90といった、放射能が比較的強く短期間に大量の熱を発生させる核分裂生成物が含まれます。これらはガラス固化体の発熱の主要因となります。分離して別の方法（例えば焼結体化）で固形化したり、その発熱や放射線を特定の用途（熱源や医療用・工業用照射源など）に利用したりすることも検討されています。分離後に一定期間冷却・貯蔵することで、比較的早い段階で毒性を低減させることが期待されます。
4. その他の元素群: 上記のいずれにも分類されない、比較的寿命が短く毒性も低い核種が主となるグループです。これらの元素は、発熱性元素を除去されているため、ガラス固化体を高密度に配置して地層処分することが可能になります。これにより、群分離を行わない場合に比べて処分に必要な面積を大幅に削減できると見込まれています。冷却・貯蔵期間も比較的短く設定できると想定されています。

放射性廃棄物の再利用の可能性

高レベル放射性廃液に含まれる一部の核種は、すでに医療や工業分野で利用されています。例えば、コバルト60やセシウム137は医療用の放射線源や照射用に、テクネチウム99mやヨウ素131は診断や治療に用いられています。群分離によって分離された特定の核種を、エネルギー源や希少資源として再利用しようという研究も進められています。しかし、放射性物質の取り扱いには厳重な管理が必要であり、再利用には環境汚染のリスクも伴います。また、全ての放射性廃棄物を再利用できるわけではなく、あくまで一部の可能性に留まります。

コストと二次廃棄物の課題

一方で、群分離のプロセスを導入することは、処理工程が増えることによるコストの増加や、分離操作に伴って低レベルの放射性廃棄物が増えるといったデメリットも指摘されています。そのため、群分離技術の導入にあたっては、長期的な安全性や処分面積の削減といったメリットと、コスト増や二次廃棄物増加といったデメリットを総合的に評価し、その有効性を慎重に判断する必要があります。

群分離は、将来の放射性廃棄物管理において、処分の負担を軽減し、より多様な選択肢を可能にするための重要な技術の一つとして、研究開発が進められています。

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