平成16年10月9日（土）10:30-12:00

第2回週末基礎講座
京都大学原子炉実験所

放射性廃棄物処理処分・・・概論（１）
核化学、燃料製造-原発・研究炉、放射線防護、リスク

北海道大学大学院工学研究科
量子ｴﾈﾙｷﾞｰ工学専攻 さとう せいち
原子力ｼｽﾃﾑ工学講座 佐藤 正知

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。
現世代は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進行しつつあります。将来世代に配慮することも私たちの責任です。
環境に関わり合いの深いエネルギー、原子力、放射性廃棄物の発生とその処理処分の基礎について概論的に話を進めます。

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分
２）核燃料サイクル−１（燃料製造-原発・研究炉・・・・核化学、 ）３）核燃料サイクル−２（バックエンド・・・・放射線防護、リスク）
４） まとめ以下の資料を配布します、是非参考にして下さい。
杤山 修, 「高レベル放射性廃棄物の地層処分」
ひろば, 320号, 東北原子力懇談会(2004, 9月)

エネルギー資源の生い立ち
４６億年前

３５億年前

地球誕生
海の誕生

有害な紫外線がさえぎられる。

海に生命が誕生

このころは二酸化炭素が主な大気の成分であった
２７億年前

光合成

二酸化炭素を消費し酸素を放出

大気中に酸素がごくわずか存在するようになった
２５億年前

鉄鉱床ができた

海底に大量の鉄が堆積して鉄鉱石がつくられた。
（ ｵｰｽﾄﾗﾘｱ、中国、ブラジル)

５億年前

油田、ガス田の形成

三葉虫やそう類などの海の動植物の死がいに由来、石油は海で生まれた。

４億年前

酸素濃度が高くなるとともに、オゾン層が形成
石炭の形成

上空で紫外線が吸収され、陸上で生物の生存が可能となる。シダ類の森林や湿地が誕生。大気中の二酸化炭素は、地中に固定され石灰岩や石炭となった。

参考文献：丸山 茂徳他 (著), 「生命と地球の歴史」,岩波新書(1998)太陽・・・・・すべてのエネルギー源
石油、天然ｶﾞｽ、石炭、バイオマス（原子力を除く）（原子核反応化学エネルギー）

生物活動による変換

光合成・・・・・化学式で書くと106CO2+16NO3- +HPO42- +122H2O+18H+二酸化炭素

水
太陽光＝ C106H263O110N16P1+138O2
有機物（炭水化物）

酸素１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

1)はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

年間石油生産量（億バレル）

資源が徐々に枯渇・・・・石油資源を例に

300
250

全世界

200

100

A: ペルシャ湾岸
B: 米国とカナダ
C: 旧ソ連D: 北海油田

50

B

150

0

ペルシャ湾岸を除く全地域
A
C

1930

1950

1970

D
1990

2010

2030

世界の年石油生産量（太字）と予測値（細線）（キャンベル等、日経サイエンス1998年6月号）

年

2050

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

再生エネルギー

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分

カナダ（経済大国、自然が豊かで人口密度小、水力利用に最適）
それでも一次エネルギーの13.3 %１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分
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１８億人から現在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7％から9％の経済成長を続けている。このまま推移すると、11から１３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。
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。

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。
現世代は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進行しつつあります。将来世代に配慮することも私たちの責任です。
環境に関わり合いの深いエネルギー、原子力、特に放射性廃棄物の発生とその処理処分の基礎について概論的に話を進めます。

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分
２）核燃料サイクル−１（燃料製造-原発・研究炉・・・・核化学、 ）３）核燃料サイクル−２（バックエンド・・・・放射線防護、リスク）
４） まとめ核燃料ｻｲｸﾙ-１（燃料製造-原発・研究炉・・・・核化学、 ）放射性壊変放射性核種は次の6つの様式のいずれかで壊変または安定化する。
1) alpha decay2) beta decay3) gamma emission4) positron emission5) electron capture6) spontaneous fission

Pu → 235
92 U + α (α particle)

239
94

89
3885m
36

Sr → 8939Y + -10 e (electron)85
Kr → 36
Kr + γ (gamma photon)

833883
Sr → 37
Rb + 01 e (positron)

01e + -10 e → 2γ (0.51 MeV photon)

83
38

83
Sr + -10 e → 37
Rb + X-ray

252
98

Cf → fission products + neutrons核分裂による熱の発生

二酸化ウラン粉末の製造（1）ウラン鉱床
・ウランを含む鉱物としては、閃ウラン鉱やピッチブレンド（瀝青ウラン鉱）などの酸化物が代表的なもの。
（ウランは地殻を構成する岩石に数ppm存在、一方、海水中には3 ppb ・・・・ 3 mg/トン）（2）粗製錬・ウラン鉱石(0.1〜0.2 %のウランが含まれる)を粉砕し、硫酸や炭酸ナトリウム溶液に浸出させる。
・イオン交換法や溶媒抽出法により濃縮、精製。
・アンモニアやNaOHを加えてイエローケーキ(NH4) 2U2O7, Na2U2O7を沈殿させる。この沈殿には、U3O8換算で70〜90%のウランが含まれる。取り扱う製品量が少ないため、粗製錬は鉱山近辺で行われる。
（3）精製錬（乾式）・イエローケーキから不純物を取り除いたのち、UF4（四フッ化ウラン）とし、次いでUF6に転換する。
イエローケーキ → ナトリウム除去 → 仮焼・還元 → HFガスでフッ化 UF4→ F2ガスでフッ化 UF6

（4）ウラン濃縮（省略）（5）再転換
濃縮した製品であるUF6をUO2粉末にする工程を再転換という。ここでは、湿式のADU法について説明。
・原料となるUF6は濃縮工場からシリンダーに詰めて送られてくる。UF6はシリンダー内で固体、大気圧下で加熱して気化させる。
・気体のUF6を純水と反応させ、UO2F2を得る。
・アンモニア水と反応させて、だいだい色の重ウラン酸アンモン（ADU）、(NH4)2U2O7の沈殿を得る。
・ろ過し、乾燥させてADU粉末としたのち、焙焼、還元、粉砕の工程を経てUO2粉末を得る。
UF6+2H2OUO2F2+4HF

2UO2F2+6NH4OH(NH4)2U2O7↓+4NH4F+3H2O

PWR燃料集合体の製造
UO2ペレットの製造、燃料棒の組み立て、燃料集合体の組み立て
電気出力1,180MWのPWRでは、・UO2で約100トン、燃料集合体数は193体
・燃料集合体1体当たり、17×17（289）の場合、264本の燃料棒。したがって炉心に燃料棒は193×264 = 50952と、5万本存在・ペレットにすると、193×264×300 = 1600万個
UO2ペレットの製造
粉末前処理

成型

焼結

研削

検査

最近は経済性向上と使用済燃料発生量の減少のため、燃料の高燃焼度化の進行とともに、FPガスを保持できる大粒径ペレットを使用。
燃料棒組み立てペレット挿入端栓溶接

ヘリウムガス加圧溶接（真空引き後、Heガス置換30気圧）

核燃料の構成

炉心の構成原子力発電の仕組み

原子力発電事業と高レベル廃棄物の発生量（2001年）
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)
30円/kWhで、2,100億円/年、5.7億円/日10円/kWhで、 700億円/年、1.9億円/日・・・使用済み燃料３０トン
・・・ガラス固化体３０本
発電コストは5.1〜5.9円/kWh(石炭：5.7〜6.2,石油：10.7〜)
現在、原子力発電所の定格電気出力は52基で4,574万kW
発電電力量は、3,175億kWh、35%
年間、１２００本のガラス固化体が発生
２０３０−２０４０年代半ばまでの累積発生数は数万本・・・・・・・・地層処分場の面積は数km２
ガラス固化体の処分費用は3,590万円/本

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（ﾌﾗﾝｽの実績）

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

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生
使用済燃料
せん断

オフガス処理C−14，Ｉ−129等
硝酸に溶解

NOX 回 収ハル ・ エンドピース，
U，Pu，FPTRU と C−14

溶液調整
抽出塔

U，Pu，FPU（VI），Pu（IV）の抽出
U，Pu

U精製
UO 2 2+有機物
U（Ⅵ）

FP

水相
蒸発濃縮
核分裂生成物（FP） ・ 高 レ ベ ル

還元剤
U，Puの分離

逆抽出

硝酸回収

放射性廃液
水相
Pu(Ⅲ）
・ TRU 廃 棄 物

溶媒洗浄

UO 3へ転換

Pu 精 製

硝酸回収

PuO 2へ転換
MOX燃料製造工程へ

UF6 に転換し濃縮再処理と放射性廃棄物の発生

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（ﾌﾗﾝｽの実績）

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生

放射性廃棄物の発生（１）低レベル放射性廃棄物
原発、再処理工場、RIを使用する研究機関から発生、放射能のレベルは比較的低い。ドラム缶にセメント等で固化、六ヶ所村で処分実施中。
（２）高レベル放射性廃棄物
原発の使用済燃料を起源として発生
放射能のレベルは極めて高い(1)使用済核燃料,(2)ガラス固化体の処分場の立地は今後の課題（３）TRU廃棄物
再処理工場, MOX燃料加工工場で発生(2)に比べて放射能レベルは低いが、α線を放出するため毒性の高いTRU元素(主にプルトニウム)を含むセメント固化・・・検討中
処分場の立地は今後の課題

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（ﾌﾗﾝｽの実績）

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（欧州各国の実績）

核燃料ｻｲｸﾙと廃棄物の発生（欧州各国の実績）

平均取出燃焼度（GWD/T）

高燃焼度化:BWR燃料設計の推移(Puの燃焼)
60
50
40
30
20
7×7燃料
10
1970

9×9燃料

8×8燃料

1980

1990

2000

装荷時期（年）Puの燃焼および、U-235とPu-239
核分裂収率の違いは、今後の燃料サイクルを考える上で重要。

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。
現世代は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進行しつつあります。将来世代に配慮することも私たちの責任です。
環境に関わり合いの深いエネルギー、原子力、特に放射性廃棄物の発生とその処理処分の基礎について話を進めます。

１）はじめに日本のｴﾈﾙｷﾞｰ／原子力／放射性廃棄物処分
２）核燃料サイクル−１（燃料製造-原発・研究炉・・・・核化学、 ）３）核燃料サイクル−２（バックエンド・・・・放射線防護、リスク）
４） まとめ放射性廃棄物の区分と現状
廃棄物の種類

廃棄物の例

発生源

廃棄物量

高レベル放射性廃棄物

ガラス固化体

再処理施設

ガラス固化体
換算15,500本(1)

低レ
ベル
放射
性
廃棄物

超ウラン核種を含む
放射性廃棄物

ハル、エンドピース、ヨウ素吸着フィルター、廃液再処理施設、MOX燃料加工施設

ドラム缶
87,000本(2)ウラン廃棄物

消耗品、スラッジ、廃器材

ウラン濃縮、燃料加工施設

ドラム缶
114,000本(2)高制御棒、炉内構造物

原子力発電所

8,000トン(2)低廃液、フィルター、廃器材等を固形化

極低コンクリート、金属発電所廃棄物

ドラム缶
500,000本(3)RI研究所等廃棄物

実験、医療用廃棄物

RI利用施設、研究所

クリアランスレベル以下の廃棄物

解体廃棄物の大部分

上記全て

ドラム缶
391,000本(2)(1)平成14年1月末現在、(2)平成10年3月末現在、(3)平成12年1月末現在

たまっている放射性廃棄物は、高レベルが1.5万本、低レベルが100万本

高レベル廃棄物の処理
ガラス固化体

廃棄物の処分概念と安全確保

廃棄物の処分概念と安全確保

廃棄物の処分概念と安全確保

高レベル廃棄物の処分概念

廃棄物の処分概念と安全確保
高レベル放射性廃棄物： なぜ地層処分か（その１）１）「分散か封じ込め」かの選択
高レベル放射性廃棄物のように多量の放射性物質を含むものでは分散は不可能
高レベル放射性廃棄物は「封じ込め」

２）「きわめて長期的に人間が関与をするか、しないか」の選択
きわめて長期的な人間の関与を必要とする無期限の長期貯蔵は倫理的に問題
理由：現世代が利益を得た結果として発生した負の遺産である廃棄物を、後々の世代に残してはならない。
人の手を放れた長期の安全確保が可能な処分でなければならない。

廃棄物の処分概念と安全確保
なぜ地層処分か（その２）

高レベル放射性廃棄物は「封じ込め」
人の手を放れた長期の安全確保が可能な処分でなければならない。
それでは具体的な処分とは？
１）宇宙処分・・・・スペースシャトル・チャレンジャ−の事故
２）氷床処分・・・・南極大陸：南極条約で放射性廃棄物の処分禁止
３）海洋底下処分・・公海下
４）地層処分:人間の継続的な関与なしに長期的な安全が確保できる。
封じ込めによる長期的な安全性を科学的に評価できる見通しがある。
廃棄物を発生する国の領土内で処分が実施できる可能性がある。
再取り出しが不可能ではない。
以上の点で地層処分が最も有望

廃棄物の処分概念と安全確保

核種封じ込めに関する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（ガラス） （水を極めて通しにくい粘土）（岩盤）

1) ガラス固化体から地下水中への核種の浸出率は年１０−５以下と低い。・・・・・実験で確認できる
2)緩衝材および処分場周囲の地層による核種の封じ込めが効果的である。

廃棄物の処分概念と安全確保

緩衝材と地層の核種封じ込め効果とは？
（１）放射性核種はイオンとして地下水を介して移行する。
（２）深地層の岩石は鉱物から構成されている。
（３）鉱物はイオン交換樹脂に類似した無機イオン交換体で、-SiO・H + 137Cs＋ = -SiO・137Cs + H＋-AlO・H + 137Cs＋ = -AlO・137Cs + H＋のように、イオン交換樹脂の特性と同じイオン交換過程により放射性核種は吸着される。
（４）地層そのものが膨大な量の無機イオン交換体である。
（５）処分場から放出された場合でも、核種は岩石／鉱物に吸着し、その移行速度は地下水に比べ著しく遅くなる。

廃棄物の処分概念と安全確保
緩衝材および処分場周囲の地層による核種の封じ込めが効果的である。従って、適切に処分場を選定できれば、数千年から数万年にわたり地層処分の安全確保は有望である。
一方、実験室での研究とともに深地層を対象とした本格的な研究が重要である。すなわち、深地層地下研究施設が欠かせない。
フランスは地下研究施設建設候補地を決定し2006年まで研究を続け、その結果をもとに議会でその後の計画を決定する予定。
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。
米国とフィンランドは処分地を決定。
わが国でも、2000年に、核燃料サイクル開発機構が第２次とりまとめを公表。東濃地区(岐阜県)と幌延地区(北海道 )で地下研究施設での研究開発がはじまろうとしている。

T

P (T ) = rL ⋅ ∫ f (t ) ⋅ g (t , T − t )dt∑ P (T )10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。
○その結果、地球温暖化の可能性が高く、オゾン層破壊の可能性も否定できない。
現世代のみならず将来世代の人々の生き方に制約を課す可能性があり、現代人の倫理観が問われている。
○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。したがって、常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。われわれは選択肢を持っているか？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、放射性廃棄物処分に関する研究を着実に進める必要がある。
○拡散支配・イオン交換等により優れた性能を有する工学バリア（障壁）と、不確実性はあるものの膨大な吸着容量を有する天然バリアにより、処分場を適切に選ぶことができれば,地層処分は有望である。
○今後は、将来世代のためにも、文明を豊かにしてきた科学技術をものづくりのみならず、サービス分野や環境保全の分野にも積極的に活用し、新しい産業分野として発展させていかなければならない。放射性廃棄物に関する研究開発はこの分野の先駆けを担うものとして期待される。

6/20/2004,産経新聞読売新聞・道内版