戻る＜１｜２｜３｜４｜５｜６｜７｜８｜９｜１０｜１１｜１２｜１３｜１４｜１５＜

第６回　核燃料資源：ウラン

配付プリント等

• 　原子（Atom）の主要な構成粒子として、１８９７年に電子（Electron）が、１９１１年に原子核（Atomic Nucleus）の陽子（Proton）が、１９３２年に中性子（Neutron）がそれぞれ発見されました。そして、１９３８年には、ある原子に中性子を照射（Bombard）することによって、新しい放射性（Radioactive）物質が誕生することが発見されました。
  　１９３８〜１９３９年に、ドイツで、質量数（Mass Number）２３５のウラニウム（Uranium、ウラン）〔原子番号（Atomic Number）９２のウラニウムを構成する同位体（Isotope）は、約９９.３％が質量数２３８で、残りの僅か約０.７％が質量数２３５です。質量数２３５が核分裂（Nuclear Fission）を起こす性質を持ちます〕に中性子を照射することによって、その原子核がほぼ２つに分裂することが発見されました。原子核分裂の発見です。その後、その核分裂を制御するための研究が進められたのですが、時は第二次世界大戦（World War II：１９３９〜１９４５年）の開戦前、ドイツでの核兵器（Nuclear Weapon）開発に対抗して、米国はマンハッタン計画（Manhattan Project）により核分裂の軍事利用である原子爆弾（Atom Bomb）の開発を促進させます。それは、１９４５年に広島（ウラニウム原爆）と長崎（プルトニウム原爆）への原爆投下と核爆発という結果を生みました。
  　原子核分裂は微妙な条件を揃えないと起こり得ないと考えられていましたが、天然にも起こり得ることを予想した研究者がいました。それは日本人（黒田和夫）で１９５４年のことです。天然原子炉（Natural Nuclear Fission Reactor）説と呼ばれています。その後１９７２年に、フランスの植民地であったガボン共和国（Gabon）オクロ（Oklo）地区において天然における核分裂反応の痕跡が確認されます。これは約２０億年前のウラン鉱床（Uranium Deposit）であり、その半減期（Half-life、約７億年）から推定すれば当時はウラニウム２３５の同位体比は約４％に近かったとされており、これは現在の濃縮ウラン（Enriched Uranium）と同程度の濃縮度です。
  　ウラニウム２３５に速度の遅い中性子〔熱中性子（Thermal Neutron）と呼ばれる〕を衝突させることで、核分裂反応を起こすことができます。その過程で、中性子も発生しますが、それは高エネルギーを持ったもの（Fast Neutron）です。その中性子を低エネルギーに変えて熱中性子にすれば、それは新たな核分裂を発生させます。それを継続させれば連鎖反応（Nuclear Chain Reaction）となります。そのような目的のものを減速材（Moderator）と呼び、冷却の目的で使われるものを冷却材（Coolant）と呼びますが、これらを使って核分裂反応をゆっくりと起こして平和利用しようとするものが原子力発電（Nuclear Power Generation）です〔原子核（分裂）エネルギー（Nuclear Energy）⇒熱エネルギー（Thermal Energy）⇒力学的エネルギー（Kinetic Energy）⇒電気エネルギー（Electric Energy）：原子炉としては、沸騰水型軽水炉（BWR、Boiling Water Reactor）と加圧水型軽水炉（PWR、Pressurized Water Reactor）が主流〕。一般に、減速材と冷却材には通常の水〔同位体から見ると軽い水素から構成されるため、軽水（Light Water）と呼ばれる〕が用いられています〔この場合には、ウラニウム２３５の同位体比はもっと大きい必要があり、約４％程度のものが使われていますが、これは濃縮ウランと呼ばれています（ただし、原爆用にはもっと高濃度である必要があります）〕。熱中性子ではなく、高エネルギー中性子を用いるとプルトニウム（Plutonium、原子番号９４）が生成する確率が増えますが、これも核分裂の能力を持ちます（プルトニウム２３９）。従って、プルトニウムを増やしながら発電も続けられれば、長期的に利用できることになりますので、そのような目的の研究が進められています〔高速増殖炉（Fast Breeder Reactor、FBR）と呼ばれる原子炉を用いますが、技術的に制御が難しいため（〔冷却材に熔融金属ナトリウム（融点98℃）を使用するなど〕、実用炉は完成していません。商用を目指しているのは、日本とフランス以外に、ロシア・中国・インドなどの国があります〕^*。また、プルトニウムは核兵器（Nuclear Weapon）に使われやすいため（元素の種類が異なるので、他の元素から比較的分離し易いため）、ウラニウムと一緒にプルトニウムを原子炉で利用することも行われています〔MOX燃料（Mixed Oxide fuel）によるプルサーマル（Plutonium Thermal Use−和製英語）と日本では呼ばれています〕。
  　核分裂の過程では、様々な放射性物質（フィッション・チェーンによる核分裂生成物⇒使用済核燃料放射能）が生成されます。これらが放射能（Radioactivity）を持ちますので、その始末に困っている訳です。放射性物質は、隔離して、半減期の経過によって放射能が低下するのを待つしかありません。世界では、地下深所に埋設する方法を選んでおり、日本も同様の方法を取ろうとしていますが、日本の場合は、地震（Earthquake）などの自然環境条件が厳しいことと、無人の地域は非常に限られることなどから、懸念されていますが、技術の研究は進行中です。

  ---

  
  ^*　高速増殖炉が完成して、ウラニウム２３８から核分裂を起こすプルトニウムをうまく生産できても、そのエネルギー資源としての量は石炭程度であるという見積りもあります。石炭（Coal）についての近年のピーク・オイル（Peak Oil）に倣ったピーク・コール（Peak Coal）の予測では、世界では２０２５年頃という見積りもあり、従来考えられていた程に長期的に利用できるものではないと言われています。従って、プルトニウムを生み出す原発も、永久に利用できる夢の発電とは言えなくなっています。また、現時点でのピーク・ウランは２１世紀半ば頃と予想されています。
• 『核燃料資源：ウラン』。講義内容は以下について。
  �@原子核反応の発見：
  

  年	出来事	人名（国名）	備考
  1897	電子発見	トムソン,J.J.（英国）	真空放電実験による
  1911	原子核の存在（陽子の発見）	ラザフォード,E.（英国）
  1932	中性子の発見	チャドウィック,J.（英国）
  1938	中性子照射による新放射能の発見	フェルミ,E.（イタリア）
  1938-1939	ウラン原子核の分裂（核分裂）	ハーン,O.（ドイツ）	235Uの原子核が中性子により2つに分裂
  1942	原子炉第1号	フェルミ,E.（米国へ亡命）	マンハッタン計画（軍事利用）
  1945	原子爆弾【軍事利用】（ウラン原爆は広島へ、プルトニウム原爆は長崎へ）		【戦後に平和利用開始（原発）】
  1954	天然原子炉説	黒田和夫（日本）
  1972	天然原子炉発見	フランス原子力庁（フランス）	ガボン共和国オクロ地区からのウラン鉱石中の235Uが通常の約0.7％よりかなり小さかったことから：約20億年前に発生；ただし、235Uの半減期は約7億年（7.038×108年）であるので約20億年前の同位体存在比は約3.7％となり、現在の原発で用いられている濃縮ウランの濃度程度にはなる）⇒【オクロ現象】（核分裂連鎖反応が臨界に達する現象）
  ※リンクはフリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』。

• �Aウラン−核分裂反応：
  １）n（熱中性子）＋ウラン235→ウラン236（不安定）→核分裂片1（例えばバリウム）＋核分裂片2（例えばクリプトン）
  　ここで、核分裂片1と核分裂片2において、質量数（＝中性子数＋陽子数）の合計は236で、陽子数の合計は92である。
  ２）核分裂片1と核分裂片2は、さらに中性子を放出して（この中性子が次の核分裂を起こし、それが繰り返されれば核分裂連鎖反応となる。ただし、発生する中性子は高速なので、減速させて熱中性子にしなければならない）、同じ元素で質量数の小さい放射性同位体に変わっていく。
  ３）さらに質量数は変わらずに、ベータ崩壊によって中性子が陽子に変わっていけば、陽子数の大きい元素が次々に生成される。これは５回くらい変わることが多い。これらはフィッション・チェーンと呼ばれ、これらの核分裂生成物が使用済核燃料放射性物質（放射能）の主体を構成することになる。
  ※どのような質量数のフィッション・チェーンが、どのような割合で生成されるかは、核分裂性物質の種類や照射中性子エネルギーなどにより変化する。そしてその傾向は、質量数と核分裂収率（％）を座標軸にした質量収率曲線で表わされる。
• 配布プリント3枚�D。出席票。
  【1枚目】
  表3.1、図3.2、図3.3、図3.4、表3.2、図3.5、図3.6、表3.3、図3.7、図3.8、図3.9…『エネルギー・資源ハンドブック』（160,163,164,165,166,167,168,169,172,173p）
  【2枚目】
  表4.1、図4.1、図4.2…『地球エネルギー論』（92,93,95p）
  （BWRとPWRの概念図）、（核燃料サイクル）、（世界の原子力開発の現状）…『原子力市民年鑑2001』（56,175,253p）
  図2-15…『原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識』（124p）
  【3枚目】
  図1-10、図1-11、図2-7、図2-8、図2-9、図2-10、図2-22、図2-24、図2-25…『原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識』（44,46,97,98,99,100,158,179,182p）
• 紹介した参考図書：
  【原子力】
  �@原子力資料情報室（編）（2001）：原子力市民年鑑　2001．
  　　　特定非営利活動法人の原子力資料情報室は、産業界とは独立な立場から、原子力に関する資料・情報の収集を行い、市民活動のためにそれらを提供している。年刊の資料集。（反原発の立場）
  �A広瀬　隆・藤田祐幸（2000）：原子力発電で本当に私たちが知りたい120の基礎知識．
  　　　原子力に関して『本当に知りたいこと』が、120項目に分けてわかりやすく説明されている。（反原発の立場）
  �Bアラン･E･ウォルター〔高木直行（訳）〕（1999）：衰退するアメリカ　原子力のジレンマに直面して．
  　　　米国原子力学会の元会長が、リスク論を踏まえて、米国のエネルギー問題の中で原子力がもつ役割について解説したもの。（原発擁護の立場）

補足説明

全般	地球資源関連用語は『地球資源関連用語集』のページを参照。 地球科学用語は『地球科学用語集』のページを参照。

• 時間切れで説明していない内容。
  �Bウラン資源の埋蔵量と生産量：
  �C原子炉：
  �D核燃料サイクル：
  �E核廃棄物：

• 『原子力エネルギー』のページの関連部分を参照。
• インターネット上の原子力情報は、『あとみん(原子力・エネルギー教育支援情報提供サイト）』が詳しい。
• 反原発の立場の主要サイトは原子力資料情報室（CNIC）など。
• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
  ■Category:原子力（Category:Nuclear technology）／原子力（Nuclear power）／Portal:原子力（Portal:Nuclear technology）／原子核反応（Nuclear reaction）／核分裂性物質（Fissile）／核分裂反応（Nuclear fission）／連鎖反応 (核分裂)（Nuclear chain reaction）／自発核分裂（Spontaneous fission）／原子核融合（Nuclear fusion）／放射性崩壊（Radioactive decay）／臨界量 (原子力)（Critical mass）／臨界状態／
  ■電子ボルト（Electronvolt）／Category:中性子（Category:Neutron）／熱中性子〔中性子線（Neutron radiation）〕／高速中性子（Neutron temperature）／
  ■原子力発電（Nuclear power）／Category:原子炉（Category:Nuclear reactors）／原子炉（Nuclear reactor technology）・核分裂炉（軽水炉（Light water reactor）（加圧水型原子炉（PWR、Pressurized water reactor）／沸騰水型原子炉（BWR、Boiling water reactor））／重水炉（Heavy water reactor）（新型転換炉））／Category:核燃料（Category:Nuclear fuels）／核燃料（Nuclear fuel）（燃料棒／制御棒（Control rod））／核燃料税／減速材（Neutron moderator）／冷却材（Coolant）／
  ■Category:原子力発電所（Category:Nuclear power stations）／原子力発電所（Nuclear power）／国際原子力パートナーシップ（Global Nuclear Energy Partnership）／
  ■Category:ウラン鉱山（Category:Uranium mines）／天然ウラン（Natural uranium）／人形峠／
  ■ウラン系列（Decay chain）／Category:ウラン（Category:Uranium）／ウラン（Uranium）／ウラン238（Uranium-238）／ウラン235（Uranium-235）／六フッ化ウラン（Uranium hexafluoride）／ウラン濃縮（Enriched uranium）／濃縮ウラン（Enriched uranium）／低濃縮ウラン燃料／高濃縮ウラン／
  ■プルトニウム（Plutonium）／プルサーマル（MOX fuel）／高速増殖炉（FBR、Breeder reactor）（もんじゅ（Monju Nuclear Power Plant）／常陽（Joyo（両方のoの頭に-）））／MOX燃料（MOX fuel）／
  ■トリウム（Thorium）／Thorium fuel cycle／
  ■核燃料サイクル（Nuclear fuel cycle）／Category:放射性廃棄物（Category:Radioactive waste）／放射性廃棄物（Radioactive waste）／放射性物質（Radioactive contamination）／Category:放射線（Category:Radioactivity）／放射線（Ionizing radiation）（アルファ粒子（Alpha particle）・アルファ崩壊（Alpha decay）／ベータ粒子（Beta particle）・ベータ崩壊（Beta decay）／ガンマ線（Gamma ray）・ガンマ崩壊）／放射能（Radioactive decay）／六ヶ所再処理工場（Rokkasho Reprocessing Plant）六ヶ所村核燃料再処理事業反対運動）／劣化ウラン（Depleted uranium）／
  ■Category:原子力事故（Category:Nuclear accidents）／原子力事故（Nuclear and radiation accidents）（スリーマイル島原子力発電所事故（Three Mile Island accident）／チェルノブイリ原子力発電所事故（Chernobyl disaster））／炉心溶融（Nuclear meltdown）／臨界事故（Criticality accident）／原子力撤廃（Nuclear energy policy）／反原発⇒原子力撤廃／
  ■Category:核兵器（Category:Nuclear weapons）／核兵器（Nuclear weapon）／Category:核爆弾（Category:Nuclear bombs）／核爆弾（Nuclear weapon）／原子爆弾（Nuclear weapon）／水素爆弾（Teller-Ulam design）／中性子爆弾（Neutron bomb）／Category:核実験（Category:Nuclear tests）／核実験（Nuclear testing⇒Nuclear weapons testing）／Category:核実験場（Category:Nuclear test sites）／劣化ウラン弾（Depleted uranium）／第五福竜丸（Daigo Fukuryu（最後のuの頭に-） Maru）／臨界前核実験／包括的核実験禁止条約（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty）／
  ■Category:反核運動（Category:Anti-nuclear weapons movement）／反核運動（Anti-nuclear movement）／Category:核軍縮（Category:Nuclear weapon governance）／Category:反核映画／世界終末時計（Doomsday Clock）／
  ■広島市への原子爆弾投下（Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki）／Category:広島原爆（Category:Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki）／リトルボーイ（Little Boy）／原爆ドーム（Hiroshima Peace Memorial）／地球平和監視時計／原爆の子の像（Children's Peace Monument）／広島平和記念公園（Hiroshima Peace Memorial Park）／広島平和記念資料館（Hiroshima Peace Memorial Museum）／マルセル・ジュノー（Marcel Junod）／原民喜（Tamiki Hara）／
  ■長崎市への原子爆弾投下（Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki）／Category:長崎原爆（Category:Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki）／ファットマン（Fat Man）／ボックスカー（Bockscar）／平和公園（Nagasaki Peace Park）／
  ■NIMBY（NIMBY＝Not In My Back Yard）／電源三法／
  ■核武装論／DF-21 (ミサイル)（DF-21）／テポドン (ミサイル)／維新政党・新風（Ishin Seito Shimpu）／

【ウランの原子構造と核分裂】

• 出典：原子力手帳 　原子は1つの原子核と複数の電子によって構成されています。電子とは、マイナスの電荷をもつものです。 　原子核をさらにみていくと陽子と中性子によって構成されていることがわかります。普通の状態の原子は、陽子の数と電子の数が同じになっており、中性子は電荷を持たないため、原子全体としても電荷を持たない安定した状態を保ちます。 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005から抜粋 　ウラン235に中性子をあてることで、ウラン235は核分裂を起こして核分裂生成物に変化します。この時に熱エネルギーが発生します。 　核分裂が起こるとそこから2個〜3個の中性子が飛び出し、また別のウラン235に当たり、核分裂が繰り返されます。原子レベルでこれを繰り返すことで膨大な熱エネルギーを取り出すことが可能になります。 〔電気事業連合会による日本の原子力の『原子力への取り組み』の『原子力発電のしくみ』の中の『核分裂のしくみ』から〕

【ウラン埋蔵量】

• （社）日本原子力産業協会情報・コミュニケーション部による世界の原子力発電の概要から

  
  

  〔WISE Uranium Projectの『World uranium resources (static map) 』から〕

【ウラン生産量】

• Figure 4: Uranium production and demand Figure 6: History and forecast of uranium production based on reported resources. The smallest area covers 1900 kt uranium which has the status of proved reserves while the data uncertainty increases towards the largest area which is based on possible reserves consisting of 4700 kt uranium. Figure A-9: Future production profile If all “Reasonably Assured Resources” and “Inferred Resources < 130 $/kg U” are producible, this roughly corresponds to “Possible Reserves”. 〔Energy Watch Group(2006)によるUranium resources and nuclear energyから〕 図4：ウラン生産量（国別）および需要量（原子炉用）。近年は、カナダとオーストラリアからの生産が多い。 図6：ウラン生産量の実績と見通し。埋蔵量の確かさに応じて３通りに分けてある。赤部分が最も確かな埋蔵量（RAR）で195万トンU、橙色部が次に確かな量で330万トンU、そして薄青色部が最も不確かな量（RAR＋IR）で474万トンUを見込んでいる。将来の需要量見通しは、国際エネルギー機関（IEA）による世界エネルギー見通し（WEO）の２つのシナリオを含めた３通りの場合が示されている。 図A-9：RAR＋IRに基づく生産量の見通しについて、国別の寄与割合を示している。つまり、将来的にはオーストラリアとカザフスタンの生産量が優勢となると見込まれている。ただし、2030年頃に、『ピーク・ウラン*』となると予想されている。 *　『ピーク・オイル』に倣って、生産量がピークになる時期およびそれに伴う問題を『ピーク・ウラン』と呼ぶ。しかし、見積る研究者（あるいは組織）によって、その時期は異なるので注意が必要である。ウランの場合は21世紀半ばと見積られることが多い。ただし、ウラン238を利用できるようになれば、その時期は遅くなることも考えられる。なお、『ピーク・コール』は上記のように同様に21世紀半ば頃と推定されている。

【BWR・ABWR・PWR原子炉および圧力容器と燃料集合体】

• 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005 　核分裂の熱を利用して「水を沸かす＝ボイルする」ことから、BWR（Boiling Water Reactor)と呼ばれています。 　 沸騰してでてきた蒸気はそのままタービンに送られ、発電機を回転させます。 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005 　改良型沸騰水型炉(ABWR)は、沸騰水型炉(BWR)の炉外に取り付けられていた「原子炉再循環ポンプ」が炉内に設置されているほか、制御棒を動かす動力源として「水圧駆動」＋「電動駆動」を併用することで安全性がより向上した構造となっています。 出典：「原子力」図面集 2004-2005 　核分裂の熱を利用して「加圧した水を沸かす＝水にプレッシャーをかける」ことから、PWR（Pressurized Water Reactor)と呼ばれています。 　加圧された水は沸点が高くなるため、それを蒸気発生器に送って、別系統の水を蒸気に変えます。循環する水が一次系、二次系にわかれているため、タービンなどのメンテナンスがBWR型よりも手軽です。 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005 　沸騰水型炉(BWR)と加圧水型炉(PWR)では、原子炉圧力容器の構造自体が違っていることがわかります。 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005から抜粋 　ペレット状のウラン燃料が充てんされた燃料棒などでできています。この燃料集合体4本の間に、十字型をした制御棒が挿入されており、制御棒を引き抜いていくと、核分裂の連鎖反応が起こって熱エネルギーが発生します。水（冷却水）がこの燃料棒の間を通り抜けることで熱せられ、蒸気に変わります。 出典：「原子力・エネルギー」図面集 2004-2005から抜粋 　ペレット状のウラン燃料が充てんされた燃料棒などでできています。制御棒を引き抜いていくと、核分裂の連鎖反応が起こって熱エネルギーが発生します。水（冷却水）が燃料棒間を通り抜けると熱せられます。 〔電気事業連合会による日本の原子力の『原子力への取り組み』の『原子力発電のしくみ』の中の『軽水炉のしくみ』から〕

参考

【原発の位置図】

• Maps of Nuclear Power Reactors: WORLD MAP Maps of Nuclear Power Reactors: ASIA Maps of Nuclear Power Reactors: JAPAN 〔INSCの『Maps』から〕

【日本および海外の原発数】

• 〔電気事業連合会による日本の原子力の『ライブラリー』の『原子力・エネルギー図面集』の『第4章「原子力発電の現状」 』から〕

【プルサーマルとMOX燃料】

• プルサーマル＝plutonium thermal use（和製英語：熱中性子によりプルトニウム239の核分裂を生じさせる原子炉）
• MOX燃料＝Mixed Oxide Fuel（ウラン酸化物とプルトニウム酸化物の混合物を燃料として用いる）

  出典：「原子力・エネルギー」図面集　2004-2005　7-18 出典：「原子力・エネルギー」図面集　2004-2005　7-19 〔電気事業連合会による日本の原子力の『原子力への取り組み』の『原子燃料サイクル』の中の『プルサーマル』から〕〕

【高速増殖炉と“原子燃料サイクル”】

• 高速増殖炉＝Fast Breeder Reactor〔高速中性子（高エネルギーをもつ）をウラン238に吸収させて、核分裂性のプルトニウム239を生成させる（増殖させる）目的の原子炉〕
  

  出典：「原子力・エネルギー」図面集　2004-2005　7-22 出典：「原子力・エネルギー」図面集　2004-2005　7-5 〔電気事業連合会による日本の原子力の『原子力への取り組み』の『原子燃料サイクル』の中の『高速増殖炉』から〕

【高速増殖炉実用化見通し】

• 図12 高速増殖炉実用化の見通し 1987 年の第7 回原子力開発利用長期計画では、目指す目標が「実用化」から「技術体系の確立」に変わっている。 小出（2009）による『原子力発電は危険、プルサーマルはさらに危険』から

【トリウム原子力発電】

（参考文献）
山脇道夫・山名　元・宇根博信・福田幸朔（2005）：特集　トリウム燃料サイクルの研究開発と動向　高い核拡散抵抗性と優れた特性を有するトリウム燃料サイクル（第1部）．日本原子力学会誌、47（12）、802-821．【見る→】

• 原子力発電に用いられている燃料はウランが大部分であるが、一部の国（インド）ではトリウムを用いている。世界的には、1950〜1970年代にトリウム燃料サイクルの研究が活発に行われ、現在、新たに見直しが行われ始めている。
• 天然のトリウム（Th：原子番号90）は質量数232の放射性核種のみであるが、その半減期は140億年以上もあるため、ウランの3〜4倍は資源量として存在すると推定されている。
• トリウム232は核分裂を起こさないが、中性子を吸収することによってウラン233になると、核分裂を起こす。つまり、何らかの手段で中性子を照射しなければならないが、ウラン燃料との組み合わせや加速器との組み合わせ（加速器駆動未臨界炉）などによって、実用的な原子炉の燃料となる。
• トリウム燃料のウラン燃料に対する利点は、
  １）核不拡散性（ウラン232と同時に生成するウラン233の娘核種が強いγ線を発生するため、その検出が容易であるとともに、取り扱いに注意が必要なために核兵器化が難しい。など。）
  ２）環境適合性〔超ウラン元素（TRU、Transuranium element）放射性廃棄物の発生量が比較的少ない。余剰プルトニウム消滅処理に利用できる。など。〕
  である。