環境・エネルギー・資源特論
ー 長崎大学大学院工学研究科・総合工学専攻 ー
集中講義（5時限目：日本原子力学会SWN対話会への基調講演（1））
2021年8月24日（火）ZOOMによる遠隔講義
日本原子力学会シニアネットワーク連絡会

古藤 健司
演目： 地球に優しい持続可能なエネルギー社会環境の構築に向けて― 原子力発電の固有の安全性、核燃料サイクル、高レベル廃棄物の処理処分 ―1古藤 健司 工学博士（九大）

1949年8月30日生

学部担当講義・エネルギー環境論（B.2-3）

日本原子力学会フェロー

・原子力/原子炉工学概論（B.4）

同位体科学会評議員

・核融合概論（B.4）

自然科学研究機構・核融合科学研究所

共同/協力研究員

工学府担当講義
・原子炉システム工学 Ⅰ･Ⅱ（元）九州大学大学院（准教授）（所属）工学研究院エネルギー量子工学部門

・原子力化学工学（担当）工学府エネルギー量子工学専攻

・核融合基礎工学（併任）工学部エネルギー科学科

・原子炉物理学特論および実験（京大炉）（兼務）工学研究院付属システム科学研究センター

・核エネルギーシステム学論究 A（D.C）（兼務）大学本部環境安全推進室エネルギー資源管理部門

環境システム工学専攻
・Microscopic Aspects of Energy
Science and Engineering （Int.Nat.C）

その他（元）企業・技術顧問
2再生可能エネルギーとは自然エネルギー！
自然エネルギーとは太陽エネルギー！
太陽エネルギーとは？

＜講演の内容＞◎ 導入として：地球の環境・エネルギー・資源について● 原子力発電の仕組み：固有の安全性（自己制御性）● 核燃料サイクル：ウラン資源(プルトニウム）の有効利用● 高レベル放射性廃棄物：深地岩盤への埋設処分の安全性◎ トピックス：福島原発の処理水の海洋放出／トリチウム問題〇 放射能・放射線：被曝とその影響、日本と世界の自然環境レベル

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“持続可能なエネルギー社会環境”を構築するために解決していかなければならない“エネルギー・地球環境問題”“気候変動”による大規模自然災害（台風・ハリケーン・集中豪雨などの大型化や多発）による化石燃料の消費による原因

温室効果ガス：CO2
大気への排出

生活住環境の悪化や農水産への被害解決
経済・生産活動の低迷

飢餓・貧困による
地域・国際紛争詳細は基調講演2を参照

エネルギー源の脱炭素化“限りある化石燃料”の有機材料資源としての有効利用

カーボンニュートラル政策

2015年国連気候変動枠組条約締約国会議（COP21）での「パリ協定」に基づく2050年に向けた脱炭素化エネルギ政策

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三原子以上の分子（水、二酸化炭素、オゾン、メタンなど）は赤外線を吸収していわゆる「温室効果」を呈する。
大気中の温室効果分子の地球温暖化への寄与は水蒸気：48%、雲：19%、オゾン：6%、二酸化炭素：21%、その他：5%と見積もられている。従って、水蒸気と雲の寄与が67%（全体の2/3）であり地球温暖化の主役である。しかしながら、雲・雪は太陽光を反射する：寒冷化の効果をもつ。
気温が上がると水蒸気圧が上がり雲も多くなり温暖化が促進されるが、一方で、雲が多くなるので温暖化は抑制されるのか？ 雪が多くなるので温暖化は抑制されるのか？

天文学者は「地球の温暖化・寒冷化は太陽活動によって大きく左右される。黒点の観測から、地球は小氷河期に向かっており、昨今の異常気象はその兆候であるかもしれない。」との見方を述べている。
産業革命以降の大気中の二酸化炭素濃度の上昇と世界の平均気温の上昇との相関にのみ注目（水蒸気の寄与は不確定のため」）

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メタンの温室効果は二酸化炭素の約20倍。
人為的に排出された温室効果ガスのうちで二酸化炭素以外のガスの寄与が40%と見積もられている。メタンは田や沼地、シベ
リア凍土、炭田や天然ガス田、海洋（メタンハイドレート堆積層）から大気に漏出している。
畜産牛の“げっぷ”に含まれるメタンが大気中メタンの4%にも達すると話題になった。それでは、その牛たちの呼吸で吐き出される二酸化炭素の温室効果の影響はいかばかりになるのか？？
脱炭素化：化石燃料依存の脱却は地球温暖化対策という一義はあるが、有限な化石資源は有機原料として有効利用するとし、将来の持続可能な社会への蓄蔵として捉えるのが本質的だと思えるが、皆さんはどう考えますか？
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陸上の植物系は大気中のCO2の“シンク”にはなっていません！

何もしていません！
102-50-50-2＝0ジャングル や タイガ は “CO2のシンク”ではありません！
現 在 は む し ろ CO2 の 発 生 源 となっています！

大気中CO2の“シンク”は海！
92-90＝2炭酸イオンとして存在し、中深部海底では炭酸化合物として堆積！
サンゴとしての寄与はわずか？

海水温度が上がれば
CO2の供給源！
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大気中の二酸化炭素を減らすには（1）二酸化炭素の吸収量を増やす● 成熟した森林（ジャングル）はCO2の吸収源ではない。CO2を吸収もしないし吐出しもしない。

森林を CO2の吸収源とするには、森林を成長させ続けなければならない。

（2）二酸化炭素の排出量を減らす● エネルギーを効率よく使う！

省エネルギー、 コジェネレーション● CO2の排出量の少ない燃料を使う！

石炭石油天然ガス（メタン）● CO2を出さないエネルギー源を利用する！
•自然エネルギーの直接利用：

地熱、水力、風力、潮力、太陽熱、太陽など•再生可能なエネルギー源：

バイオマス•原子力エネルギー：

原子力発電

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自然エネルギーは元来原子力エネルギー！
太陽から地球にとどくエネルギーは約200兆Kw：
100万Kw級原発 ２億基分

エネルギーの種類とその資源のフロー
自然エネルギー（核エネルギー）
地熱（核崩壊）太陽（核融合）

化石燃料

天然ガス

バイオ

太陽光

風 力

・化学工業原料(プラスチック・合成繊維など）
・製鉄用コークス ・セメント（キルン用燃料）

核融合（基礎開発中）

熱・動力用燃料 ・熱源用燃料（ガソリン・軽油・重油など）

核分裂

熱

原子力

熱

地 熱

光

水 力

植物の光合成石 炭

石 油

メタンハイドレート

人工エネルギー

再生可能
エネルギー

発電
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41年

1兆0529億
バーレル(1998年末）

63年

146兆ｍ3(1998年末）

212年

9846億トン(1996年末）

ウランの価格が10倍程になれば海水からのウラン回収も経済性が出てきます。

72年

436万トン(1997年1月）

化石燃料の埋蔵量は少なくとも今世紀中は十分であると目されています。

高速増殖炉を利用すればプルトニウムとして数十倍に地球誕生から46億年、大気中の酸素の起源は、30～25億年前に地球上に初めて酸素発生型の光合成を始めたシアノバクテリアの出現にあります。ということは、大気中の酸素生産に預かったバクテリアの死骸が重石油として深地下地層に埋蔵されているはずです。 11

シェールガス採掘技術の進展は不可能と 思われた資源の経済的回収を可能にします！

シェールガスとは、頁岩（けつがん）の中に含まれる天然ガス。頁岩層に高圧の水を注入することで岩に亀裂を入れ、含まれている天然ガスが流れるための隙間を作り、生産を行う。現在、シェールガスの商業生産を行っているのは米国とカナダのみ。
シェールガス採掘の問題として、水圧破砕による地下水汚染やガス漏洩が懸念されている。
米国の天然ガス生産量の推移・見通し（兆ＣＦ）

出典：エネルギー白書2011“Rabbit Limit”を改善し“EPR”を有意な値に押し上げます！
主なシェールガス層の分布図

Rabbit Limit と EPRは次に出てきます。

出典：三菱商事ＨＰ※ＣＦ：立方フィート
出典：ＥＩＡ12

出典：総合資源エネルギー調査会総合部会 平成25年3月15日

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出典：総合資源エネルギー調査会総合部会 平成25年3月15日

ウサギを捕まえるためのエネルギーが捕まえたウサギのエネルギーより大きいならば、いくらウサギがいたとしても、インディアンは生きていけない。

指標として
EPR：Energy Profit Ratio

EPR =獲得したエネルギー投入したエネルギー

Rabbit Limit： EPR ＜ 1
生産性の成立の目安はEPR ＞ 10と目されています。

“ラビットリミット”

・太陽光・風力発電は？

出典：FolkeGunther,
http://www.holon.se/folke/kurs/logexp/rabbit.shtml
15・火力発電は？
・原子力発電は？

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原子力発電は安全か？安心できるか？
原子力発電のメリットについては、大方の人々が「安価な電気料金」という恩恵をもって認知されていると思います（福島第一原発事故の後処理・補償・地域復興事業への膨大な資金投入は別にして）。しかしながら、原子力については「原爆・水爆」の途轍もない破壊力の脅威への先入観があり「原子力発電は危険なものだ」との認識が根底にあるのが一般的だと思います。ですから、経済的であっても「安全で環境に負荷が掛からない発電システム」でなければ大衆は原子力発電を安心して受け入ることはできないでしょう。
原子力発電を正しく理解しなければ“安全”であるかわかりませんし“安心”は生まれません。

原子力発電には安全性を担保する原理・仕組みがあるとを知っていますか？
●受動的制御性： 制御棒駆動装置や冷却水循環・供給装置など●能動的制御性： 熱中性子吸収核分裂反応の自己制御性

原子炉の固有の安全性
17核爆発は起こりえません！

圧縮閉込め技術がなければ爆弾にはなりません！

ウラン濃縮技術が必要

プルトニウム型原爆はプルトニウム239（ほぼ100％）

商用原発の使用済燃料からのプルトニウムは爆薬にはならない（低純度）

どのようにして生産するの？
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火力発電は“瞬間湯沸型”
耐高圧構造なので臨界圧を超える高温・高圧で運転可能。
(超）超臨界圧石炭火力発電（600℃以上225気圧以上）で熱効率が約45％

原子力発電は“投込ヒーター型”
大口径の圧力容器が必要。
PWR型1次系（320℃160気圧）
2次系（277℃62気圧）
BWR型（280℃70気圧）
熱効率が32%程度

高温ガス炉や高速増殖炉の開発が必要
19制御棒は重力落下式
原子炉の炉心は核分裂反応が終わっても核変換反応が継続して起こっていますので崩壊熱が発生しています。
従って、 水で冷やし続けなければいけません！

多重の非常用炉心冷却系が組み込まれています。
受動的制御装置20

原子炉の炉心は核分裂反応が終わっても核変換反応が継続して起こっていますので崩壊熱が発生しています。
従って、 水で冷やし続けなければいけません！

気液二相による燃焼多重の非常用炉心冷却系が組み込まれています。

分布の問題と炉内構造の問題から受動的制御装置

制御棒は炉底からのジャンプアップ式

福島第一原発では炉心冷却系の非常用電源を喪失してしまった！

想定外？？？

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核分裂によって2～3個の即発中性子が放出されますが、1秒から数10秒遅れて核分裂片の崩壊によっても中性子が放出されます：遅発中性子。その割合は0.72％です。
原子炉の中では、この遅発中性子を含めて臨界が保たれています。従って、 核分裂連鎖反応がゆっくりと進行していきます。

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軽水炉は核分裂性ウラン235の中性子吸収が減速された中性子に対して反応しやすくなります。

減速材の温度効果とは水温が上がると密度が減少し（あるいはボイド率が上昇し）中性子の減速が低下する。

燃料のドップラー効果とは
熱中性子とウランとの衝突吸収反応は両者の相対速度に依存します。温度が上がれば燃料のウランの熱振動が活発になり、中性子との相対速度の分布が広がります。ということは、中性子の共鳴吸収される確率が増すことになります。

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自己制御性とは“起き上がり小法師”や“弥次郎兵衛”の原理
ここで質問
旅客機の主翼はV字型になっています。進路を安定化するためですね（自己制御性）。
しかし、戦闘機などの軍用機の主翼はΛ字になっています。どうしてですか？
長崎市には路面電車が走っていますよね。皆さん安心して乗っておられますが、電車にはハンドルがありませんよね。＜そら線路があるからでしょ！＞電車の車輪は一体物で右輪と左輪は同じ回転をしますが、どうやってカーブを曲がるんですか？
＜だからキイキイ言いながら曲がりよろうが！＞ ゆっくりやから安全・安心？？？？
新幹線も同じです。300 km/hでカーブどうやってスムーズに曲がっているのですか？
左右の車輪は同じ回転をしていますよね？
キイキイ言いながら曲がっているのなら、いつ脱線するやら！危険・不安！！？？？
電車は線路上で自己制御性によって安全に走行しています。

鉄道の固有の安全性

安心

安心

への１ステップ

原子炉の固有の安全性

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原子力発電
安全・安心？
東日本大震災において複数の原子力発電所が被害を被りましたが、心臓部である“原子炉”は全て基本的に健全性を維持することができました（福島第一原発は２次的災害）。
つまり、ある意味では、原子炉構造の耐震性が立証されたことになると”私“は考えますが、皆さんはどう考えますか？
化学工場などの爆発事故では多くの人が犠牲になる事がしばしばですが、幸いなことに、この原発事故洗面器に水を張って左右に揺らしてみてください。
水面は激しく揺れるが洗面器の淵は大して揺れません。岩盤は洗面器の淵のようなもので、表層地盤に比べて地震の揺れは１/２～１/３程度です。

で“放射能・放射線の被曝”でお亡くなりになられた方はおられません。
このことをどう考えますか？
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濃縮ウラン燃料が軽水炉で燃焼する過程でウラン238も核分裂して発電量の7％を寄与しています。
ウラン238の中性子吸収によって生成したプルト
ニウム239は核分裂性ですので、ウラン235の燃焼に伴ってプルトニウム239も燃焼に寄与していきます。燃焼末期には60％以上にもなり、発電量の30％以上を賄っています。
結果的にウラン238が燃料として発電量の1/3に寄与しています。

使用済みウラン燃料 はもはや使用済みMOX燃料
MOX: Mixed OXide fuel使用済み燃料には未燃焼のウラン235やプルトニウム239が残っています。

再処理
化学的にウランとプルトニウムを回収
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軽水炉燃料再処理によって回収されたウランとプルトニウムをMOX燃料として高速増殖炉で有効利用

核燃料サイクルが考えられている。

高速増殖炉開発の頓挫（“もんじゅ”の廃炉）

MOX燃料を熱中性子炉で利用“プルサーマル” 計画
プルトニウム・サーマルリアクター

回収プルはプルトニウム239だけでなく非核分裂性のプルトニウム240も含有

原爆の爆薬にはなりえない！

安全！安心？ 27

既存の軽水炉では炉心の1/3程度までMOX燃料を装荷して発電が可能です：
原子炉の安全運転設計条件の範疇にあります。
フルMOX：MOX燃料100％での運転には専用炉が必要
J-Power電源開発(株）
大間発電所（建設中）

プルサーマルの目的・余剰プルトニウムの解消
・ウラン資源の有効利用
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フィンランドや米国など、使用済みウラン燃料を再処理せずに 直接 地層 処分 する 政策 を取っています。
高レベル放射性廃棄物の処理
処分に準じます。

将来、取り出して再処理リサイク
ルする可能性を残した処分法：
超長期保管貯蔵の意味合い

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33高レベル放射性廃棄物多重バリアシステムの漏洩シナリオ① 岩盤地層中の地下水が緩衝材に侵入し、② 金属容器(オーバーパック）に達して容器を腐食させ、ガラス固化体表面に達する。
③ ガラス固化体を溶解させつつ溶解性の高レベル核種が溶出する。
④ 溶解した放射性核種は浸透水中を拡散移動し、深部岩盤層に達する。
⑤ 岩盤中の微細水脈中を拡散移動し、地表に達する。
⑥ 地表に達した放射性核種のほとんどは旅程で崩壊し非放射性核種へと核変換している。

なぜ深地下300ｍ以上の岩盤地層か？
推算には加速度法による実証実験で得られたデータや遺跡・古墳など

深地下岩盤中の水の移動：

数mm/年

300 ｍ 移動するには約10万年

科学的根拠は からの金属やガラスの出土品の保存状態とその分析結果、地盤地質工学からの地下水移行挙動などのデータが参考にされています。
そして、地球上には天然の大型軽水炉が存在していた！

オクロ原子炉調べてみてください！

オーバーパックの腐食速度：数mm/100年

厚み 20 ｃｍのオーバーパックが腐食されガラス固体表面が暴露されるまで約1万年
34高レベル放射性廃棄物
ガラス固化体10万年以上天然のウラン鉱石の放射能レベル以下にまで減衰する！

安全！
安心？
高レベル廃棄物処理処分法35

福島第一原発の処理水の海洋放出について： 海洋生態系への影響は？
溶融した核燃料等の残損物（デブリ）の冷却などに使われた放射性物質を含むに汚染水は、イオン交換や吸着処理によって大部分の放射性核種は除染され〝処理水〟としてタンクに保管されていますが、2021年3月の時点で約125万トンに達しています。ただし、水素の放射性同位体のトリチウム（半減期は12.3年）はHTOとして処理水中に存在しています。
トリチウムを分離し除染する方法は色々考えられますが“途轍もないエネルギーを消費”し、費用対効果が全く期待できない。
また、完全な解決法でもない：濃縮回収したトリチウム水はどうするのか？

国の方針は“2年後を目途に海洋放出”を選択● 事故から12年を経ていますので崩壊によって放射能はほぼ半減● 処理水は放出前に予め海水にて100倍以上に希釈：
国の排水中の基準値の1/40 程度まで
世界保健機関（WHO）の飲料水水質ガイドラインの1/7 程度まで希釈● トリチウムの年間放出量を事故前の福島第一原発で設定していた目安以下に飲料水の水質基準の1/7以下のトリチウム濃度となった希釈処理水を、更に莫大な水量の海洋中に分散していくわけですから、海洋生態系への影響はないものと考えられます。

安全！
安心？
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宇宙飛行士は宇宙で1日 に 約 1mSiの 被曝をするそうです。
で すか ら 、 宇宙 滞在を100日としているのでしょうかね？

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まとめ


孫やひ孫の時代も豊で平和な世の中であるには、地球の環境を守り、恒久的にエネルギー資源を活用していかなければなりません！



限りある貴重な化石資源は、大切に有効に利用していかなければなりません！



気候変動などの地球環境問題を解決するには、水力・太陽光・風力などの自然エネルギーそして原子力などの非化石燃料を利用するしかありません ： 脱炭素化！

“脱炭素化”の 切り札 は“原子力” です！



原子力を 「安心」 して利用するには 「安全」 が不可欠 ： 安全性向上の油断なき追及が必須！
「安全」 を知らなければ 「安心」 は得られません！

“原子炉の固有の安全性”や“高レベル廃棄物処分法の安全設計”など、原子力発電の「安全」な仕組み を少しでも理解してもらいたい！

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