新しい原子炉が核廃棄物の処理をさらに困難にする理由

世界が核廃棄物を扱う方法は驚くほど単純だ。多くの場合、核廃棄物はまず最初に水のプールに沈めて冷却し、次に鋼鉄で包み、最後に最終貯蔵施設がある場合には地下数百メートルに埋められる。世界の電力需要の 10 パーセントを生産することにより、毎年 10,000 トンの使用済み燃料が生産されます。新しい原子炉設計の出現により、核廃棄物の処理はまったく新しい課題に直面する可能性があります。

これまで、核廃棄物処理は従来型の大型原子炉が中心でした。

現在稼働している原子力発電所のほとんどの原子炉は、同様の基本原理に従っています。つまり、低濃縮ウランで動作し、水で冷却されます。通常、原子炉は非常に大きく、大規模な発電所複合施設の一部です。しかし、今後数年以内に稼働する可能性のあるさまざまな新型原子炉では、既存の核廃棄物管理システムを引き続き使用できるように調整が必要になる可能性が高い。これらには、小型モジュール型原子炉 (SMR)、いわゆるミニ原子炉が含まれます。 「私たちを待っている新しい原子炉と燃料の種類によって廃棄が容易になるかどうかについては、まだ明確な答えはありません」と憂慮する科学者連合の原子力安全部長エドウィン・ライマンは言う。

低レベル放射性核廃棄物から高レベル放射性核廃棄物まで

核廃棄物は、病院や研究センターから出る汚染された防護具などの低レベル放射性廃棄物と、より慎重な取り扱いが必要な高レベル放射性廃棄物の2つに大別できます。その体積の大部分は低レベル放射性廃棄物で構成されています。この物質は現場で保管することができ、放射能が十分に減衰した後は、通常の廃棄物とほぼ同様に（いくつかの追加の予防措置を講じて）処理されることがよくあります。一方、高放射性廃棄物はより放射性が高く、多くの場合非常に高温になります。このカテゴリーは主に使用済み燃料で構成されており、ウラン 235 などの物質の混合物、核燃料の核分裂性部分、つまり原子炉の運転に必要な連鎖反応を維持できる部分で構成されています。

この物質には、エネルギーを放出する原子分裂の放射性副産物である核分裂生成物も含まれています。多くの専門家は、使用済み燃料やその他の高放射性核廃棄物に対する長期的な最善の解決策は、地層処分場、つまり非常に深く慎重に管理された地面の穴であることに同意しています。フィンランドは、 Onkalo というリポジトリ 最も先進的な。同国の南西海岸にあるこの施設は今年稼働する予定だ。

現在、米国には核廃棄物の本当の最終貯蔵施設はない。

米国は 1980 年代に地質保管庫の場所を指定しました。しかし、これまでのところ政治的対立により建設の進展が妨げられている。その結果、米国の使用済み核燃料は現在も使用中か廃止された原子力発電所の敷地内に保管されている。反応器から取り出された後、それは通常、湿った保管場所に置かれ、基本的に水のプールに沈めて冷却されます。その後、材料は乾燥キャスクと呼ばれる保護セメントとスチール製の容器に入れられます。この段階は乾式貯蔵として知られています。

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専門家らは、業界は新しい原子炉コンセプトのためにこのコンセプトを完全に書き直す必要はないと考えている。原子力産業を専門とする非営利シンクタンク、ニュークリア・イノベーション・アライアンスの研究戦略ディレクター、エリック・コスロン氏は、「使用済み燃料の扱い方はほぼ同じだろう」と語る。 「だから私は、新しい使用済み燃料をどう扱うかについて心配しながら、夜も起きて横たわることはありません。」しかし、原子炉の種類や燃料を変更するには、いくつかの新しい技術的解決策が必要になる可能性があります。原子力発電についても幅広い新しいアイデアがあり、これは、同様に幅広い種類の潜在的に処理すべき廃棄物が存在することを意味します。

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「珍しい素材は珍しい廃棄物を生み出す」

新しい原子炉の一部は現在運転中のモデルと類似しており、使用済み燃料を現在とほぼ同じ方法で処理できるようになる。しかし、冷却剤や燃料として新しい材料を使用する製品もあります。 「異常な物質は異常な廃棄物を生み出します」とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の原子力、プラズマ、放射線工学の助教授サイード・バハウディン・アラムは言う。新たな開発によっては、高レベル放射性廃棄物として処理しなければならない物質の量が増加する可能性があります。たとえば、三構造等方性燃料を使用する原子炉を考えてみましょう。 Triso は、複数の保護物質層で囲まれ、グラファイト コーティングに埋め込まれたウラン コアで構成されています。トリソを包む黒鉛はおそらく残りの使用済み燃料と組み合わせる必要があり、そうすれば核廃棄物は従来の核燃料よりもはるかに大量になるだろう。

ある人によると、現在の状況では、これらの層が分離されることになります。 原子力イノベーションアライアンスレポート 2024 年以降も依然として困難でコストがかかるだろう。これは、パッケージ全体が高レベル放射性廃棄物として処分されることを意味します。 X-energy 社は、Triso 燃料を使用する高温ガス炉を開発しています。すでに米国の原子炉を監督する原子力規制委員会（ＮＲＣ）に使用済み燃料の処理計画を提出している。新しい形式の核燃料は、廃棄物処理にも役立つ可能性がある。同社によれば、トリソで使用されているケーシングにより、X エネルギー原子炉での湿式保管が不要になり、初日から乾式保管が可能になるという。

さらに核廃棄物は溶融塩やナトリウム原子炉からもたらされる

溶融塩反応器は古くから知られていたが現在再導入されているタイプの反応器でもあり、廃棄物の量が増加する可能性がある。この設計では、ほとんどの原子炉のように燃料と冷却材を分離しません。代わりに、燃料は冷却剤としても機能する溶融塩混合物に直接溶解されます。これは、コンテナ全体を高放射性廃棄物として処理する必要があることを意味します。他の新しいタイプの原子炉では、より少量の核廃棄物が生成される可能性がありますが、それは必ずしも利点ではありません。たとえば、高速増殖炉は、より高い燃焼度を達成し、より多くの核分裂性物質を消費し、燃料からより多くのエネルギーを取得します。同時に、これは、これらの原子炉からの使用済み燃料は通常、核分裂生成物の濃度が高く、より多くの熱を放出することを意味します。そして、その熱が問題になる可能性があります。

使用済み燃料は、溶けて危険な核分裂生成物が放出されるのを防ぐために、比較的低温で保管する必要があります。埋立地内の熱が高すぎると、周囲の岩石が損傷する可能性もあります。元米国エネルギー省およびNRC職員のポール・ディックマン氏は、「処分場にどれだけの量を投入できるかは主に熱によって決まります」と言う。一部の使用済み燃料は処分前に化学処理する必要があると、ブリティッシュコロンビア大学公共政策・国際情勢学部のディレクターでNRCの元議長であるアリソン・マクファーレン氏は付け加えた。これにより、技術的な複雑化や追加コストが発生する可能性があります。

たとえば、金属ナトリウムで冷却された高速炉では、冷却材が燃料に浸透し、その殻と融合する可能性があります。分離が困難になる可能性があり、ナトリウムは水と強く反応するため、使用済み燃料には特別な処理が必要です。例えばテラパワー社のナトリウム炉は高速炉で、3月初旬にNRCから建設許可を取得した。 Terrapower のビジネス開発担当上級副社長、Jeffrey Miller 氏は、この課題に安全に対処できるように設計されていると述べています。同社は、ナトリウムを除去するために湿った貯蔵池に入れる前に、材料に窒素を吹き込むことを計画している。

核廃棄物は少なくとも場所の問題です

米国のような廃棄物が敷地内に保管されている国では、多数の小規模な施設がそれぞれ独自の廃棄物を保管することは非現実的です。一部の企業は、マイクロリアクターとその結果として生じる廃棄物を単一のサイト、おそらくリアクターが製造されるのと同じサイトに返送することを検討しています。

UBCのマクファーレン氏は、企業は廃棄物に徹底的に取り組み、廃棄プロトコルを設計することが求められるべきであり、自社が排出する廃棄物に対して責任を負うべきだと述べている。同氏はまた、廃棄物の計画はこれまで研究とモデル化に基づいており、現実は原子炉が実際に稼働して初めて明らかになるだろうとも指摘した。彼女の言葉を借りれば、「これらの原子炉はまだ存在していないので、そこから生成される廃棄物については実際のところよくわかっていません。」

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