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STニュースNo．
６３（２０１７）

PHI
TSコードを活用した核変換による“高レベル放射性廃棄物の低減・資源化”

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TScode
国立研究開発法人科学技術振興機構

革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）
プログラム・マネージャー
藤田 玲子

高レベル放射性廃棄物に含まれる半減期の長い長寿命核分裂生成物を核変換により低減、もしくは有用核種をリサイクルして資源化する研究開発を内閣府のI
mPACTプログラムで実施している。高レベル放射性廃棄物に含まれる長寿命核分裂生成物を分離、回収した後、レーザー法を用いた偶奇分離法により奇数核種のみを取り出し、加速器を用いて短半減期核種や安定核種に核変換する技術を開発している。理研のRIBFやJPARCを用いてPd107、Zr93、Se79、Cs135の新たな核反応データを取得すると共に、PHITSコードを用いて同位体分離せずに核変換する新しい経路を提案する。また、それを実現する加速器およびその要素技術の開発を行い、長寿命核分裂生成物を分離回収するプラントから核変換、再利用するインゴットのプラントまでの一連のプロセス概念を提案する。本編ではこのプログラムの概要を紹介する。
１．はじめに我が国では全量を直接処分することは難しい。

２０１１年３月１１日に発生した東日本大震災とそこで、我々は国民の方々に高レベル放射津波によって引き起こされた東京電力（株）性廃棄物の問題を解決する新しい選択肢を提福島第一原子力発電所の事故（福島事故）に示すことを目的として、本テーマ“核変換により我が国の原子力発電所は再稼働がなかなよる高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資か進まない。原子力規制委員会により、安全源化”を、内閣府の革新的研究開発推進プロ審査を通過したプラントは５基である。

グラム ImPACT（Impulsing PAradigm

福島事故直後は、原子力発電をやめるべき

ChangethroughdisruptiveTechnology）にという脱原子力の意見も多くあったが、原子提案した。I
mPACTプログラムは平成２５年

力を今直ぐやめても使用済み燃料は残り、高に５５０億円の基金を設け設立されたもので、レベル放射性廃棄物の問題は解決しない。

「実現すれば、社会に変革をもたらす非連続高レベル放射性廃棄物には使用済み燃料をイノベーションを生み出す新たな仕組み」ハ

再処理した際に発生する“ガラス固化体”とイリスク・ハイインパクトな挑戦を促し、我再処理しない場合の“使用済み燃料”そのもが国の研究開発マインドを一変させるためにのの２種類がある。フランスや日本は使用済と５分野（資源節約からの開放とものづくり

み燃料を再処理し、ガラス固化体として処分の革新「新世紀日本型価値創造」、生活様式をする方針である。一方、北欧のスウェーデン

変える革新的省エネ・エコ社会「地球との共やノルウェー、そしてスイスは再処理せずに生」、情報ネットワーク社会を超える高度機そのまま処分（直接処分）する予定である。

能化社会の実現「人と社会を結ぶスマートコ

しかしながら、使用済み燃料の発生量の多いミュニティ」、少子高齢社会における世界で－3－

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最も快適な生活環境の提供「誰もが健やかで年以下に大幅に低減できる可能性がある。

快適な生活を実現」、人知を超える自然災害やMAは燃料として活用できるため、核燃料サハザードの影響を制御し、被害を最小化「国イクルの研究として日本原子力研究開発機構

民一人一人が実感するレジリエンスを実現」）（JAEA）で既に研究が進められている２）。一が掲げられた。当初１２プログラム・マネー

方、LLFPは高レベル放射性廃棄物としてガジャー（PM）が採択されたが、平成２７年にラス固化され、地層処分されることになって４PMが追加で採択され、現在１６PMのプログ

いるが、なかなか処分候補地の選定が進まなラムが進められている 。本稿では「核変換い。そこで、LLFPについても核変換の研究による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・を進め、国民の方々に処分に対する新たな選資源化」についてその概要と最近の成果につ択肢を提示したいと考えた。

いて述べる。

１９８０年 代 後 半 に は 我 が 国 で オ メ ガ

１）（OMEGA）プロジェクト３） が開始され、MAの分離回収とLLFPの一種であるヨウ素（I）

２．背景
高レベル放射性廃棄物には半減期の長い核とテクネシウム（Tc）に関して核変換の研究種としてマイナーアクチニド（MA）と長寿がされたが、原子炉の中性子による核反応を命核分裂生成物（LLFP）が含まれている。

用いるものであった。原子炉以外の加速器をMAとLLFPを図１に示す。

用いた核変換の研究については、日本原子力

高レベル放射性廃棄物を低減するにはMA

研究所で１９９０年代末に階層型原子力システム４）とLLFPを共に低減する必要がある。両者をとして研究開発がなされていたがいずれも核変換により放射能を低減すれば処理後１０００

MAを中心にした研究であった（表１）。

図１

半減期の長い核種－4－

RISTニュース表１No．
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分離・核変換の既往研究*SCNES（SelfConsistentNuclearEne
rgySystem）:自己整合性のある原子力システム

しかしながら、LLFPを対象として原子炉以LLFPの核変換に関する研究はオメガPJの研外で核変換するためには核反応データは十分

究から派生した“自己整合性のある原子力シ

ではなく、新しい核反応データを取得する必ス テ ム（SelfConsistentNucle
ar Energy

要があった。

System（SCNES））”５）を藤家洋一らが提唱

一方、近年、世界中で高強度エネルギーのした。SCNESは廃棄物を極力発生させない加速器の建設が進められ、日本でも理化学研概念で、LLFPはレーザーで同位体分離する

究 所 で 世 界 最 高 性 能 のRIビームファクト

ことにより高速炉で核変換することを科学的リィー（RIBF）が２００７年から運転が開始さに示したものであった。

れた。RI
BFの運転によりあらゆる核反応のしかしながら、LLFPは同位体シフトが小さく、すべてのLLFPをレーザー法で分離すデータを取得できるようになった。
また、高レベル放射性廃棄物に含まれるることが難しいことから、本研究では同位体LLFPにはレアメタルなど有用元素が多く含分離をせずに核変換する経路（パス）を提案まれている。これらのLLFPは再処理工場のすることにした。

高レベル廃液に含まれているが、このLLFPを分離、回収しても放射性核種が含まれてい図２に「核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化」の概念を示す。

るため、再利用が困難であった。

使用済み核燃料の再処理工場の高レベル放そこでMAだけでなく、LLFPも核変換す

射性廃液と地層処分用のガラス固化体からるべく核反応データを取得し、新しい核反応

LLFPを経済性のある分離回収プロセスを用の 経 路 を 提 案 で き る 可 能 性 が 出 て き た。

いて回収する。回収したLLFPは新しい核変－5－

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６３（２０１７）換プロセスで半減期の短い核種（Shortlived

そこで各プロジェクトの内容と最近までの成Fi
ssionProducts（SLFP）もしくは安定核種

果をまとめる。に変換する。放射能を低減されたSLFPは中本プログラムの全体構成を図３に示す。本レベル放射性廃棄物もしくは低レベル放射性プログラムは５プロジェクト、分離回収技術

廃棄物として浅地層処分をするか、あるいは（プロジェクト１）、核変換データの取得（プ

安定核種はリサイクル製品として再利用する。

ロジェクト２）、核反応理論モデルとシミュレーション（プロジェクト３）、新しい核反応

３．「核変換による高レベル放射性廃棄物の制御と要素技術開発（プロジェクト４）およ大幅な低減・資源化」
プログラムについてびプロセス概念検討（プロジェクト５）から

I
mPACTが開始されて約３年が経過した。

図２

図３構成される。

プロセス概念１）

本プログラムの全体構成１）－6－RI
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プロジェクト１は高レベル放射性廃棄物でを効率的に行うために、核燃料再処理工場かある再処理工場の高レベル廃液および返還ガら発生する高レベル廃液からLLFPを回収す

ラス固化体からLLFPを分離回収する技術をる技術とガラス固化体からLLFPを回収する開発する。プロジェクト２では理研のRIBFやためにガラス固化体を溶解する技術を開発し日本原子力研究開発機構（JAEA）のJPARCて い る。対 象 と す る 元 素 はLLFPの う ち、を用いて新しい核変換の反応データを取得す

Pd、Zr、SeおよびCsである。プロジェクト１

る。プロジェクト３では新しい核反応の理論は「ガラス固化体の溶解技術」「高レベル廃液やモデルを構築し、核反応シミュレーションからのLLFP回収技術」および「レーザー偶

コード Particl
eandHeavyIonTr
ansport

奇分離法」から構成される（図４）。核変換をCodeSystem（PHITS）の改良高度化を行う効率的に行うために、対象とするLLFPを分と共に、有望な核変換経路（パス）を提案す離・回収することを目的としている。

る。プロジェクト４では提案された核反応経半減期の長いLLFPは基本的に奇数核種が路を実現する加速器とその要素技術の開発を多く、レーザー同位体分離法の前処理プロセ行う。最後にプロジェクト５ではプロジェク

スとして開発された偶数核種と奇数核種を分ト１～４を実現するプロセスの概念設計とそ離する“偶奇分離法”を用いて、奇数核種をれを実現する高レベル放射性廃棄物の低減お選択的にイオン化することにより偶数核種とよび資源化のシナリオを構築する。

分離する。偶数核種はそのまま資源として使うこともできる。偶奇分離法の開発において

３．
１

分離回収技術の開発

は、直線偏光レーザーと共通イオンコアを用プロジェクト１の分離回収技術では核変換

図４

いることにより従来技術である円偏光レープロジェクト１の研究内容

－7－

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ザーを用いる場合に比べて処理量を１００００倍

低入射エネルギーの測定データの精度を向上 す る た め に 改 造 し たOEDO（理 研）でにすることができた 。
６）

25Me
Vのデータ取得も開始した。
３．
２

また、Pd107のインプラントターゲットを核反応データの取得

これまで加速器で核変換を行うLLFPの核加速器を用いて作製し、実際の核変換率の変換のデータはほとんどなかった。しかし、データを取得する実証試験を予定している。

２００７年 に 運 転 を 開 始 し た 理 研 のRI
BFはLLFPをビームとして用い、逆運動学法を用３．
３いることによりあらゆる核変換のデータが取核反応理論モデルとシミュレーション

プロジェクト３では我が国で開発された核得できるようになった。

反応計算ソフトで核変換反応を評価できる

プロジェクト２では理研のRI
BFやJAEAのPHI
TSのシミュレーション精度を向上させ

JPARCを用いてPd107、Zr
93、Se79、Cs-る。プロジェクト２で測定した核反応データ

135の新しい核反応データを取得する（図５）。

を用い、核反応理論や構造モデルを改良し、RI
BFでは逆運動学法でウラン（U238）のビーPHITSに反映する。また、バルクの核反応をムを核分裂させてLLFPビームをつくり、こより精度良くシミュレーションできるようにのLLFPビームを陽子（水素）や重陽子（重水）のすると共に、有望な核反応経路（パス）を提二次ターゲットに衝突させ、核反応断面積を案する。プロジェクト３の研究内容を図６に測定する。
RI
BFを用い、Pd107、Zr93、Se79、示す。長寿命核種の核変換反応のシミュレー

Cs
135の100MeV、200Mev、50MeVの陽子ションの精度を向上させることを目的していおよび重陽子のデータを既に取得した 。

る。さらに、微視的モデルを高精度化し、

７）

図５

プロジェクト２の研究内容

－8－

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図６

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プロジェクト３の研究内容

PHITSに組み入れることも想定している。

る。図８に日本原燃（株）六ヶ所村に建設さ有効半減期という、ターゲットの大きさおれた再処理工場（８００トン/年）で１年間に発よび期間を限定した円柱体系に基づき、プロ生する高レベル放射性廃液に含まれるPd-ジェクト２で取得した核反応断面積を用いた

107、Zr93、Se79、Cs135を処理するため定量評価を実施している。既にPd107およに必要な加速器のビーム電流を示す。しかしびCs135については核変換エネルギーの評ながら、現状の加速器の入射ビーム電流は２価を行っている。

～５mAであるのに対し、目的とする加速器

円柱のシンプル体系、長さ＝入射粒子のレのビーム電流は数百～数千mAであるため、ンジの１．
１倍、半径は、２００mA、有効半減期３第一および第二のブレークスルーすなわち、年（単位体積当たりの変換率、変換密度を一非連続イノベーションが必要である。加速器

定）の条件で変換エネルギー（E/h） の入射開発はこのプログラムの最も重要な課題であエネルギー依存性を調べた。その結果を図７り、この入射ビーム電流値のコンパクトな加に示す。重陽子のビームを用いる場合はPd-速器は未だ実用化されていない。２０１
９年３月

107で500MeV、Cs135で は300Me
Vで 変 換には実現可能性の高い加速器仕様を提案するエネルギーを最も小さくできることが分かる。

予定である。I
mPACTの核変換用加速器の仕様の検討を開始した。

３．
４加速器開発および要素技術の開発一方、実機の加速器に必要な超伝導空洞、プ

プロジェクト４では実際の核変換に適用すラズマウインドウ、液体や粒子ターゲットなどる核変換システムの要素技術を開発すると共を開発している。純ニオブ製のイオン用超伝に核変換に適用できる加速器の仕様を提案す

導空洞の高加速電圧試験にも成功している８）。

－9－

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図７

Pd107およびCs135の変換エネルギーの評価結果

図８

３．
５

加速器の開発方針（プロジェクト４）

プロセス概念検討ることにより、処分の負担低減とレアメタル

プロジェクト５ではLLFPの分離、変換のの再利用を目指している。

シナリオを具体化し、プロジェクト１～４のLLFP核変換の処分に与える効果や資源化成果を利用してプロセスの概念設計を検討すする際のクリアランスレベル（Pd107、Zr93）

る。LLFPの分離、変換のシナリオを検討すを提案する研究を開始している。また、処分
－10－

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概念については合理的な考えにより、従来の２）原子力科学技術委員会群分離・核変換技概念を見直ことを考えている。さらに、将来術評価作業部会（議事録）：文部科学省審のHLWの処分を念頭に第二再処理工場に向議会資、けた不溶解性残渣を別処分するPurex法の改htt
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b_menu/shingi/

良・高度化や従来の処分場の概念に捕らわれ

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1352357.

ない理想に近い処分のあり方につても検討をhtm

開始している。

３）「分離変換技術に関する研究開発の現状最終的に平成３１年３月にはこのプログラムと今後の進め方」２００
９年４月２８日、原子の概念を実現するプラント概念を提示する。

力委員会研究開発専門部会分離変換技術検討会、
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４．おわりにbunri/houkokusho090428.
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これまで高レベル放射性廃棄物の処分に関しては問題視されながら、その解決策になる

４）西原健司他、階層型核変換システムにお研究開発は十分されてきたとは言えない。福

けるMAの蓄積と核変換のマスバランス、

島事故以前の研究開発の体制から脱却し、原JAERIRese
arch99074（1999）.

子力分野の研究開発をしてこなかった若手の５）Y.FUJI
I
Eet.al.
,“A SelfConsistent

研究者もこの分野の研究に参加して新しい研

Nucle
arEne
rgySuppl
ySystem”,Int'l.

究分野を構築し、原子力の再生を目指すこと

Speci
alists'Mtg.onPotent
ialofSmallが重要である。幸いにも本プログラムには多Nuclear Re
actor
sfor Future Clean

くの若手研究者が参画しており、彼らの活躍

andSafeEne
rgySour
ces,Tokyo,23-

により今後の発展を期待したい。

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tober（1991）
６）ht
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ken.
jp/
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press/
2017/
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参照文献
１）ImPACTプログラム“核変換による高レ

７）ht
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www.
ri
ken.
jp/
pr/
press/
2016/

ベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化”、
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