平成２１年１０月２４日(土)13:00-14:30
北海道大学学術交流会館

核燃料サイクルとバックエンドの基礎
地球環境、生活に欠かせない大切なｴﾈﾙｷﾞｰを支える選択肢の一つ：原子力
北海道大学 大学院工学研究科
ｴﾈﾙｷﾞｰ環境ｼｽﾃﾑ専攻 佐藤 正知
http://nms.qe.eng.hokudai.ac.jp

1

内 容
46億年という永い地球史の中で資源が生まれ、現在の地球環境が出現しました。
この資源を利用して、豊かな生活を送っています。同時に、資源の枯渇と地球環境の破壊が懸念されています。
環境の保全と市民生活に重要なエネルギー、その柱の一つである原子力の利用について、核燃料サイクル、高レベル放射性廃棄物の地層処分に重点を置いて話を進めます。
１） はじめに、ｴﾈﾙｷﾞｰ資源の生い立ちと地球環境形成２） 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
３） 原子力発電、核燃料ｻｲｸﾙと高ﾚﾍﾞﾙ放射性廃棄物の発生
４） 放射性廃棄物の地層処分事業と安全確保
５） 処分から核燃料ｻｲｸﾙを考える。
６） まとめ2

1) はじめに27億年前 光合成がはじまる
葉緑素をもつシアノバクテリアが大発生し、海中に酸素が供給される
光合成： 植物の葉緑素で行われる
二酸化炭素 ＋ 水

酸素 ＋ 有機物

太陽光

ストロマトライト（シアノバクテリアが積み重なってできたもの）

25億年前 鉄鉱床の形成

太陽光
陸酸素ガス

陸

鉄イオン ＋ 酸素ガス

ストロマトライト酸化鉄

海

縞状鉄鉱床

3

1) はじめに20億年前 ウラン鉱床ができた
海中に酸素が充分満たされ、大気中の酸素量が増加し始める

酸素を含んだ雨

ウラン（U）の形態
酸素が少ないとき：UO2 → 水に溶け難い
酸素が多いとき： UO22+ → 水に溶け易い

河口は微生物の死骸が溜り、酸素不足状態

岩石中のUO2が酸化され、UO22+となって川の水に溶ける

UO22+はUO2となり沈殿

海川41) はじめに毒性を有する紫外線はオゾン層に吸収される
オゾン層可視光海5内 容１） はじめに、ｴﾈﾙｷﾞｰ資源の生い立ちと地球環境形成２） 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
３） 原子力発電、核燃料ｻｲｸﾙと高ﾚﾍﾞﾙ放射性廃棄物の発生
４） 放射性廃棄物の地層処分事業と安全確保
５） 処分地の選定に向けた制度・取り組み
６） まとめ62)日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割

出典：電気事業連合会

72)日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割

○

300
250
200

全世界
150

A: ペルシャ湾岸
B: 米国とカナダ
C: 旧ソ連D: 北海油田

10050

ペルシャ湾岸を除く全地域
A

B
C

0

1930

1950

1970

D
1990

2010

2030

年

2050

世界の年石油生産量（太字）と予測値（細線）（出典：日経サイエンス1998年6月号、原典：C.Campbellら(1998)）

注）８１５３万バレル／日；約 ３００億バレル／年（２００７年）
経済活動の拡大・・・エネルギーの大量消費
資源が徐々に無くなる

82)日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
朝日新聞（平成21年8月4日）朝刊

朝日新聞 ２００５年４月８日（金）92) 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割

長期投資の重点3分野
エネルギー ・ 医療 ・ 教育102) 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
水力、風力、太陽光など（再生エネルギー）は、限られた国で十分な利用が可能となる。

出典：電気事業連合会（原典：ＢＰ統計２００７）

我々の将来を考えると、いろいろなｴﾈﾙｷﾞｰを使えるようにしておくことが重要 11温暖化を示唆するデータ

2) 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割

大気中の二酸化炭素濃度の変化

現在
産業革命

12

2)日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割

世界の経済規模の急激な拡大
この１００年間で、世界の人口は２０世紀はじめの１８億人から６０億人を超え、３倍以上に増加した。１人あたりのエネルギー消費量も３倍以上に増加して世界のエネルギー消費量は１０倍以上に急増した。
現在、人口１３億人の中国と１０億人のインドは年～9％の経済成長を続けている。このまま推移すると、1０年後にはもう一つの中国とインドが新たに出現することになる。地球環境問題はさらに顕在化する可能性が高い。
われわれは将来に向けてどう対処すべきか。ｴﾈﾙｷﾞｰ資源小国・経済大国日本にとって、現実的選択肢の一つは原子力。
13内 容１） はじめに、ｴﾈﾙｷﾞｰ資源の生い立ちと地球環境形成２） 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
３） 原子力発電、核燃料ｻｲｸﾙと高ﾚﾍﾞﾙ放射性廃棄物の発生
４） 放射性廃棄物の地層処分事業と安全確保
５） 処分から核燃料ｻｲｸﾙを考える。
６） まとめ14

原子力発電3)核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生

15

3)核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（ﾌﾗﾝｽの実績）

出典：Schneider and Marignac（2008）163)核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生

使用済み核燃料の再処理工程

U(VI) U(VI)
Pu(IV) Pu(III)
U(VI)
Pu(IV)

出典：電気事業連合会

173)核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（欧州各国の実績）

フランス、ドイツ、スイス、ベルギー

仏AREVA NCからMOX燃料が供給されている国（電力会社）
出典：AREVA NC

183)核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生

原子力発電事業
電気出力100万kWの原子力発電所を１年間運転(設備利用率80％)・・・70 億kWhの電力(106 kWh×24×365×0.8)
20円/kWhで、1,400億円/年、3.8億円/日の売り上げ
発電コストは5.1～5.9円/kWh(石炭：5.7～6.2,石油：10.7～)
・・・使用済み燃料３０トン ・・・ガラス固化体３０本ガラス固化体の処分費用は約4,000万円/本(約12億円/ 30本)
原子力発電所の定格電気出力は55基で4,931万kW(2008年11月現在)
発電電力量は、3,034億kWh（売り上げ約6兆円）、30.5%(2006年度)
年間、１２００本のガラス固化体相当の使用済み燃料が発生
平成３３年頃までの累積発生数は４万本
・・・・・・・・地層処分場の面積は、地上１km2 、地下３×２km2（結晶質岩の場合）

一人が８０年の生涯にわたり電力の半分を原子力で賄うとしたとき、ゴルフボール３個相当のガラス固化体が発生
参考：資源エネルギー庁、日本原子力産業協会 19内 容１） はじめに、ｴﾈﾙｷﾞｰ資源の生い立ちと地球環境形成２） 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
３） 原子力発電、核燃料ｻｲｸﾙと高ﾚﾍﾞﾙ放射性廃棄物の発生
４）高レベル放射性廃棄物の地層処分事業と安全確保
５） 処分から核燃料ｻｲｸﾙを考える。
６） まとめ20

4)地層処分と安全確保

出典：電気事業連合会

214)地層処分と安全確保

高レベル廃液のガラス固化
ガラス固化体高さ： 1.3 ｍ
直径： 0.4 ｍ
容積：150 ℓ
重さ： 500 kg
出典：日本原燃224)地層処分と安全確保

出典：日本原燃

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高レベル廃棄物の処分概念

放射性物質を地下水に溶け出しにくくする

約２０cmの炭素鋼の容器。当面
１０００年間は確実に地下水から隔離。

4)地層処分と安全確保

約７０cmの粘土。
地下水と放射性物質の移動を遅くする

出典：資源エネルギー庁

244)地層処分と安全確保

処分後の安全確保の基本的考え方： 多重障壁概念
ガラス固化体／圧密ベントナイト／天然の深地層＝最後の障壁（水に溶けにくい）（水を極めて通しにくい粘土） （岩盤）（１）放射性核種はイオンとして地下水を介して移動する。
（２）岩石を構成する鉱物はイオン交換樹脂と同じ無機イオン交換体、-SiO・H + 137Cs＋ = -SiO・137Cs + H＋-AlO・H + 137Cs＋ = -AlO・137Cs + H＋のように、放射性核種は鉱物の表面に捕らえられる。
（３）地層は膨大な量の無機イオン交換体である。
（４）処分場から放出された場合でも、核種は岩石／鉱物に捕らえられ、移動速度は地下水に比べて著しく遅くなる。

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4)地層処分と安全確保

c(x,t)c( x )J ( x)   D
 V  c( x)x

VJ(x +x, t)

J(x,t)

xx +xxc   J ( x  x)  J ( x) tx J ( x)     J ( x)   x   J ( x)  x   x
J ( x)x
 2cc D 2 Vx
x

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高レベル放射性廃棄物処分の安全評価における母岩中の核種移行モデル（１／２）＜亀裂内部の核種濃度＞

C n
C n C n

DL
t
x x
x
F m C n Rn n C n  Rn 1n 1C n 1  De
 0  0bRn4)地層処分と安全確保・マトリクス拡散・岩石への収着による遅延（Cnm、Dm）

岩石基質部

ωx

移流・分散 （Cn 、ν、DL）

亀裂＜岩石基質中の核種濃度＞

Rnm

岩石基質部

Cn
 m Cnmm
D Rn n Cn  Rn n 1Cn 1  0tmm※添え字n,mはそれぞれ、核種および岩石基質部を表す

Rn ：亀裂の遅延係数

Demm

一次元平行平板モデルの概念：実効拡散係数 [m2 s-1]

Rn ：岩石基質部の遅延係数

DL ：亀裂内分散係数 [m2 s-1]

Cn ：亀裂の核種濃度 [mol m-3]

nb

Cn ：岩石基質部中の核種濃度 [mol m-3]
mD m ：岩石基質部間隙中の拡散係数 [m s ]2-1：亀裂内流速 [m s-1]

F：亀裂単位面積あたりのマトリクス拡散に寄与する亀裂面積の割合：崩壊定数 [s-1]：亀裂開口幅の１／２ [m]27高レベル放射性廃棄物処分の安全評価における母岩中の核種移行モデル（２／２）4)地層処分と安全確保＜亀裂の遅延係数＞

Rn  1 K anb＜岩石基質部の遅延係数＞

 Kd mmRn  1 mn

mK an ：亀裂表面への分配係数 [m]K d m ：岩石基質部の岩石鉱物への分配係数 [m3 kg-1]
n m ：岩石基質部の乾燥密度 [kg m-3]
 m ：岩石基質部の有効間隙率284)地層処分と安全確保

実験室での研究とともに深地層を対象とした研究が重要である。
深地層地下研究施設を使った研究が欠かせない。
米国、ドイツ、スウエーデン、スイス、ベルギー、カナダ、は既に研究施設を保有。各国で、地下研究施設で集めたデータや、実験室でのデータをもとに地層処分の安全性の確保に関する評価報告書を提出。原子力大国
フランスでも地下研究施設を建設し研究を続け、その結果をもとに議会でその後の方針を決定。フィンランドとスウエーデンは処分地を決定。米国は一応の決定を見ているがまだ不透明。
わが国でも、2000年に、核燃料サイクル開発機構（現・日本原子力研究開発機構：ＪＡＥＡ）が第２次取りまとめを公表。
東濃地区（岐阜県）と幌延地区（北海道）で縦坑を掘削中で地下研究施設での研究開発が行われる。

29

4)地層処分と安全確保

地層処分の安全評価での仮定と現実的な事象の比較【評価の基本方針】
モデルやデータは，現実よりもはるかに厳しい仮定をおいて評価し，安全性を確保予想される現実的な事象

評価での仮定オーバーパックは千年以上の健全性が期待される

オーバーパックは処分後千年で全て同時に破損

破損後のオーバーパックも，部分的にバリア機能を有する

破損したオーバーパックは全てのバリア機能を喪失

処分場は断層から十分離して設置

処分場の近くに断層があると仮定

緩衝材の外側に到達した核種は，周辺の岩盤により遅延され，地表に到達する核種は限られる

緩衝材の外側に到達した核種は，全て特定の亀裂と断層を移行し，地表に到達する
出典：核燃料サイクル機構※（2001）第２次取りまとめ※現・日本原子力研究開発機構（JAEA）

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4)地層処分と安全確保

出典：資源エネルギー庁

314)地層処分と安全確保

出典：核燃料サイクル機構※（2001）『高レベル放射性廃棄物（ガラス固化体）に関する地層処分研究開発第２次取りまとめの概要』※現・日本原子力研究開発機構（JAEA）

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内 容
46億年という永い地球史の中で資源が生まれ、現在の地球環境が出現しました。
この資源を利用して、豊かな生活を送っています。同時に、資源の枯渇と地球環境の破壊が懸念されています。
環境の保全と市民生活に重要なエネルギー、その柱の一つである原子力の利用について、核燃料サイクル、高レベル放射性廃棄物の地層処分に重点を置いて話を進めます。
１） はじめに、ｴﾈﾙｷﾞｰ資源の生い立ちと地球環境形成２） 日本のｴﾈﾙｷﾞｰ事情と原子力の役割
３） 原子力発電、核燃料ｻｲｸﾙと高ﾚﾍﾞﾙ放射性廃棄物の発生
４） 放射性廃棄物の地層処分事業と安全確保
５） 処分から核燃料ｻｲｸﾙを考える。
６） まとめ33

5) 処分から核燃料ｻｲｸﾙを考える

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背景
高燃焼度化の進行

5) 処分から核燃料サイクルを考える

1980年代半ばまで、27,500 MWD/MTUであった燃焼度は、経済性を高めるとともに使用済燃料の発生量を抑えるため、90年代になって、33,000、それ以後39,500、48,000となり、現在55,000 MWD/MTUに達している。
Puの燃焼と廃棄物特性の変化
高燃焼度化や、MOX燃料の装荷により、Pu燃焼の役割がこれまで以上に高まる。右の図．のようにPu-239が核分裂して、Ru、Rh、Pdを主とした貴金属FPとともにMoの生成割合が高まる。さらに生成するPu-241やPu-242のβ崩壊でAm、CmそしてPu-238が生じる。
貴金属FPの増加はガラス溶融炉の短寿命化につながる。また、Moの増加はガラス固化体の製造を難しくし、Amは廃棄物発生量を増大させるとともに、熱による貯蔵期間の長期化、処分場の必要面積増大を引き起こす。このため今後のバックエンドのあり方に大きな課題を投げかける。

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高燃焼度化の進行と課題

5) 処分から核燃料サイクルを考える
ガラス固化体の貯蔵期間の長期化
高燃焼度用燃料製造開発（α，n）反応，γ線強度

Pu毒性が主となるサイクルと処分（当面のフランスと日本）

MA毒性が主となり長期発熱が問題となるサイクルと処分

高燃焼度化対応
ガラス固化溶融炉開発
新たな処分概念の検討を含めたTRU廃棄物処分の安全確保のための研究開発の重要性（ｾﾒﾝﾄ評価が特に重要）

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まとめ
大量生産・大量消費・大量廃棄の経済体制のもと、地質学的年代にわたり蓄えられた太陽エネルギー（化石燃料）を急激に消費し、快適な生活を送っている。
○エネルギーは極めて重要で、１日も欠かすことができない。時代の変化に柔軟に対応するために、いくつかのエネルギーの選択肢を持つことが重要である。
資源小国・経済大国日本の有力で現実的な選択肢は原子力である。そして、高レベル放射性廃棄物の処分を進める必要がある。
○処分地の選定を段階的に進めることによって、多重バリアシステムを構築する
ことにより、処分後の長期安全確保を期待できる。

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