原子力発電

核燃料

原子には、中性子を捕捉して分裂する物と、捕捉しても分裂しない物があることが知られている。分裂する物として代表的なものは、ウランの放射性同位体であるウラン235、プルトニウム239である。しかし、プルトニウム239は天然にはごく微量しか存在しないため、核燃料としてはウラン235が使われる。このウラン235は天然鉱石である閃ウラン鉱に含まれる。しかしこの中にはウラン235が0.7 %程度しか含まれていないため、21世紀初頭現在の一般的な原子炉で核燃料として利用するには、ウラン濃縮工程と呼ばれるウラン235の濃縮作業が必要となる。
また、分裂しない物としては、ウラン238が知られている。ウラン238は、中性子を捕捉することによってプルトニウム239に転換でき、これを核燃料として使用することができる。

発電施設

原子力発電は、核分裂反応で発生する熱を使って水を沸騰させ、その蒸気で蒸気タービンを回すことで発電機を回して発電する。一方、火力発電では石油や石炭、液化天然ガスといった化石燃料を燃やして熱を作り出して蒸気を発生させ、発電を行っている。つまり、原子力発電と火力発電では、発生した蒸気でタービンを回し発電機で発電するという点で、同じ仕組みを利用しているといえる。
原子力発電所の象徴として、冷却塔の写真が使われることが多いが、これは発電に使用できなかった余りの熱を外部へ水蒸気として排出するためのものである。蒸気による発電では、熱力学第二法則により、発生した熱のすべてを電気エネルギーに変換することはできず、必ずある程度の廃熱が発生してしまうことが分かっている。冷却塔はその廃熱を処理するためのものである。一部の原子力発電所は海や川のそばに建設し、熱を温水の形で海や川に排出することで冷却塔を省いている。日本国内の原子力発電所は全てこのようにして冷却塔の必要がない構造となっている。なお、この排水を温排水と呼ぶ。また、2012年の大飯原子力発電所再稼働時にクラゲが大量発生するという事態について、定期点検時に温排水が途切れて発育がよくなったためとされる。

火力発電所との差異

一般的には、分かりやすく「原子力発電所でも火力発電所でも、蒸気タービンによる発電方式ということでは同じである」と説明されることがある。しかし、厳密には以下の点で違いがある。

蒸気

タービンを回す蒸気が原子力発電所では約284度、6.8MPa（メガパスカル）であり、石炭火力発電所の蒸気の約600度、25 MPaよりも温度、圧力が低く設計されている。この理由は、核燃料棒の被覆に使われているジルコニウムが比較的高温に弱いために一次冷却水を高温にはできないためである。また、火力発電所では超臨界流体である超臨界蒸気が使用されている。超臨界流体とは、液体の性質と気体の性質を持った非常に濃厚な蒸気であり、熱を効率良く運ぶことができるが高温高圧状態が必要なため、原子力発電ではこれを利用することは現在はできない。これらの理由から一般的な火力発電所の熱効率は約47 %程度であるのに対し、21世紀初頭現在の原子力発電における熱効率は約 30 %程度である。なお、冷却材に超臨界流体である超臨界圧軽水を用いた超臨界圧軽水冷却炉が現在研究中であり、これを原子力発電に用いれば熱効率は45 %程度まで上昇すると考えられている。

タービン

原子力用タービン発電機は4極であるため、回転数は1500 rpmまたは1800 rpm。火力用タービン発電機は通常2極であるため3000 rpmまたは3600 rpmである。

歴史

1930年代に人類は核エネルギーを発見した。その最初の実用化は第二次世界大戦中の1945年に成し遂げられた、原子爆弾（原爆）の開発であった。1942年12月2日に研究用原子炉シカゴ・パイル1号が臨界に達し、世界初の人工原子炉となった。その後プルトニウム生産のため試験炉や生産炉が各地に建設された。
史上初の原子力発電は、第二次世界大戦終結後の1951年、アメリカ合衆国の高速増殖炉EBR-Iで行われたものである。この時に発電された量は1kW弱、200W白熱電球4個を光らせるのがやっと。
本格的に原子力発電への道が開かれることとなったのは、1953年12月8日に時のアメリカ合衆国大統領、ドワイト・D・アイゼンハワーが国連総会で行った原子力平和利用に関する提案「Atoms for Peace」（平和のための原子力）がその起点とされている。これは、従来核兵器だけに使用されてきた核の力を、原子力発電という平和利用に向けるという大きな政策転換であった。アメリカではこの政策転換を受け、1954年に原子力エネルギー法が修正され、アメリカ原子力委員会が原子力開発の推進と規制の両方を担当することとなった。
1954年6月27日、ソビエト連邦のモスクワ郊外オブニンスクにあるオブニンスク原子力発電所が、実用としては世界初の原子力発電所として発電を開始し、5 MWの発電を行った。
次に実用化されたのは潜水艦の動力炉であった。原爆の開発からわずか9年後の1954年に最初の原子力潜水艦が進水している。軍事用に開発された原子炉を民間に転用するところから原子力発電は始まった。
1955年に、原子力平和利用国際会議が開催され、原子力技術の発展について討議した。
1956年に、世界最初の商用原子力発電所としてイギリスセラフィールドのコールダーホール原子力発電所が完成した。出力は50 MWであった。アメリカでの最初の商用原子力発電所は、1957年12月にペンシルベニアに完成したシッピングポート原子力発電所である。
1957年には欧州経済共同体 (EEC) 諸国により欧州原子力共同体（ユーラトム）が発足した。同年に国際原子力機関 (IAEA) も発足した。
原子力発電初期のキャッチフレーズは、「Too cheap To meter」であった。これは、「原子力発電で作った電気はあまりに安すぎるので、計量する必要がないほどだ」、という意味である。原子力発電はそれだけ安く大量に電気を供給できるものと期待されていた。しかし現実はそうではなかった。バックアップ装置の増設等により、建設費が高騰したのだ。原子力発電は他の発電に比べて設備費の割合が非常に大きいため、建設費が高騰するとその影響がより大きくなってしまった。
1974年には、アメリカ原子力委員会 (AEC) が推進と規制の両方を担当することへの批判から、AECを廃止し、推進をエネルギー研究開発管理部 (ERDA)、規制を原子力規制委員会 (NRC) に分割することとなった。
1974年に、ノーマン・ラスムッセン教授を中心とした原子炉安全性研究において示されたラスムッセン報告により、確率論を基礎にした原子力発電の安全性に関する理論が推進の立場から広く語られるようになった。これによれば、大規模事故の確率は、原子炉1基あたり10億年に1回で、それはヤンキースタジアムに隕石が落ちるのを心配するようなものであるとされたのである。現在の原子力発電は、この理論を応用した多重防護というシステムを基に設計されている。
1977年、アメリカでは民主党のジミー・カーター政権が誕生した。カーター政権は1977年4月に核拡散防止を目的としてプルトニウムの利用を凍結する政策を発表した。これによりアメリカでは高速増殖炉の開発が中止され、核燃料サイクルが中止された。これ以降アメリカでは核燃料は再処理されず、基本的にワンススルー利用されるものとなった。
1979年3月28日、スリーマイル島原子力発電所事故が発生した。この事故は、世界の原子力業界に大きな打撃を与えた。特にアメリカ国内では先述した建設費用の高騰と合わせる形での事件であったため、原子力発電の新規受注は途絶えた。
続いて1986年には、1986年時点で最悪の原子力事故であるチェルノブイリ原子力発電所事故が発生。これにより原子力発電を利用していく際のリスク面が、一般に広く知れ渡ることとなった。

日本

日本でも第二次世界大戦中に原爆開発の研究は行われていたが、戦争末期に資金枯渇のため頓挫。1945年8月の敗戦後、連合国によって原子力に関する研究が全面的に禁止された。しかし1952年4月に日本国との平和条約（通称サンフランシスコ講和条約）が発効して禁止が解かれ、1953年にドワイト・D・アイゼンハワー大統領が国連総会で「平和のための原子力」演説を行ったことも契機となって再開されることとなった。
日本における原子力発電は、1954年3月、改進党の中曽根康弘・稲葉修・齋藤憲三・川崎秀二らにより原子力研究開発予算が国会に提出されたことがその起点とされている。この時の予算2億3500万円は、ウラン235に因んだものであった。
1955年12月19日に原子力基本法が成立し、原子力利用の大綱が定められた。この時に定められた方針が「民主・自主・公開」の「原子力三原則」であった。そして基本法成立を受けて1956年1月1日に原子力委員会が設置された。初代の委員長は読売新聞社および日本テレビ社主でもあった正力松太郎である。正力は翌1957年4月29日に原子力平和利用懇談会を立ち上げ、さらに同年5月19日に発足した科学技術庁の初代長官となり、原子力の日本への導入に大きな影響力を発揮した。このことから、正力は日本の「原子力の父」とも呼ばれている。
1956年6月に日本原子力研究所（現・独立行政法人日本原子力研究開発機構）が特殊法人として設立され、研究所が茨城県東海村に設置された。これ以降、東海村は日本の原子力研究の中心地となっていく。
1956年7月1日、通商産業省公益事業局原子力発電準備室を設置。10月26日、IAEA憲章に調印（、1957年7月29日発効。）
1957年8月1日、通産省公益事業局原子力発電管理官を設置。8月27日、日本第1号原子炉、原研のJRR1臨界（ウォーターボイラー型熱出力50kW）
1957年11月1日には、電気事業連合会加盟の9電力会社および電源開発の出資により日本原子力発電が設立された。
1958年6月16日、日米、日英原子力強力協定調印（12月5日発効）。9月1日、通産省公益事業局原子力発電課を設置。
1961年6月17日、原子力損害の賠償に関する法律を公布。
1962年9月12日、原研国産1号炉JPDRの発電試験に成功、日本で初発電（のちに1964年7月31日、閣議で原子力の日に決定）。
日本で最初の原子力発電が行われたのは1963年10月26日で、東海村に建設された実験炉であるJPDRが初発電を行った。これを記念して毎年10月26日は原子力の日となっている。
1964年5月8日、日本の原子力設備に対する初のIAEA国内査察を実施。7月11日、電気事業法を公布。
1965年11月1日、通産省原子力発電技術顧問会を設置。
1967年10月2日、動力炉・核燃料事業団が発足。
1969年6月12日、原子力船むつが進水。
1970年3月11日、初の沸騰水型、原電敦賀発電所営業運転を開始、電気出力33万1000kW。11月28日、初の加圧水型、関西電力美浜発電所1号機営業運転を開始、電気出力34万kW。
なお、日本に初めて設立された商用原子力発電所は同じく東海村に建設された東海発電所であり、運営主体は日本原子力発電である。原子炉の種類は世界最初に実用化されたイギリス製の黒鉛減速炭酸ガス冷却型原子炉であった。しかし経済性等の問題によりガス冷却炉はこれ1基にとどまり、後に導入される商用発電炉はすべて軽水炉であった。
2009年9月22日、当時の内閣総理大臣鳩山由紀夫は国連気候変動首脳会合での演説にて、二酸化炭素の25%排出削減を含む鳩山イニシアチブを日本の国際公約とする声明を出した。
二酸化炭素排出量25%削減という2009年の鳩山内閣が打ち出した方針と並行して、温暖化対策としての原子力発電の促進も議論された。（火力発電と比べて）二酸化炭素の排出が少ない原子力エネルギーは日本の電力需要を満たすキーであることを鳩山は認めており、鳩山内閣として国会にて地球温暖化対策基本法を可決させる予定でいた。当時の環境大臣であった小沢鋭仁もこの法案に関して、原発の記載の必要を唱えていた。内閣府特命担当大臣（消費者及び食品安全担当）福島みずほは、地震が頻発する日本における原発施設の安全性に懸念を示しており、この法案の閣議決定をめぐって鳩山・小沢と温度差があった。
2011年には、3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震に起因する福島第一原子力発電所事故が発生した（直接の原因は激しい地震だったのか津波だったのかは未だ調査不能で分かっていない。しかし津波直前には再臨界や爆煙を上げる様子が瞬間的ながら記録されており、また原子力建屋の崩壊の仕方などから地震説が有力）。国際原子力事象評価尺度に基づく評価は確定していないが、原子力安全・保安院による暫定評価は最悪のレベル7となっており、日本における最大規模の原子力事故である。

原子力事故

臨界状態は、核分裂反応が連鎖している状態であるが、仮にこの連鎖反応が一気に進むと、エネルギーの発生も一度に起こり、発生する高熱と強力な放射線が周辺に放たれてしまう。これが核爆発である。ただし、現在の発電用原子炉で核爆発が起きることは全くないとされ、起こり得る事故は以下のようなものとなる。

炉心溶融

原子力発電所で起こり得る最悪の事故としては炉心溶融（メルトダウン）が挙げられる。これは、原子炉の炉心冷却が不十分な状態が続いた結果、もしくは炉心の異常な出力上昇の結果、炉心温度が上昇して溶融に至る事故である。最悪の場合は水素爆発や、より威力が強く破壊される範囲が広い水蒸気爆発などを誘発し、原子炉圧力容器、原子炉格納容器、原子炉建屋等を破壊し、原子力発電所の外に放射性物質を大量に拡散させる恐れがある。
炉心溶融を防止するために、現在は冷却材喪失事故の防止策として非常用炉心冷却装置等の設置、また異常な出力上昇の防止策として原子炉に自己制御性を持たせている。
しかし、現在までに3件以上の事例が記録されており、チェルノブイリ原子力発電所事故では広範囲に放射性物質を拡散させ、一部は日本や中国などの極東においても計測された。また、2011年3月の福島第一原子力発電所事故では1、2、3号炉で炉心溶融が発生していた。

臨界事故

臨界事故とは、制御棒の予期せぬ引き抜け等により想定外の臨界状態になる（持続的な核分裂反応が始まってしまう）ことである。1978年11月2日に福島第一原子力発電所3号機で発生した事例がある。

国際原子力事象評価尺度

原子力発電所の事故、故障は国際原子力事象評価尺度に照らされ、0 - 7のレベル (8段階) に分けられることになっている。放射線被曝を伴わない事故の場合でも安全管理不適切と判断され、レベル1以上になることがある。

現状

2014年の時点で、世界31の国・地域で426基の原子力動力炉が運転されており、同時点での発電容量は3億8,635万6,000 kW（グロス値）である。
以下に各地域の原子力発電の現状を記載する。

アメリカ合衆国

アメリカ合衆国は最も多くの量の原子力発電を行っており、原子力発電によってアメリカ国内の総電力の19.4%（2013年）を賄っている。2012年8月に使用済み核燃料の最終処分方針が決まるまでの間、新規建設および運転延長許可が凍結されていたものの、その2年後の2014年8月には規制委員会が処分方針を認め、この凍結を解除している。
2019年1月18日、アメリカ国防総省にて前線基地に電力を安定供給する目的の移動型原子炉「Project Dilithium」の構想が発表される。現行のディーゼル油主体の発電機に代わり、「戦場で無尽蔵のエネルギー補給を行えば問題を克服できる」との理由で原子力利用が提案されている。電気出力にして1メガワットから10メガワットの移動式原子炉(最低でも三年間燃料補給無しで作動可能)。トラック、船舶、C-17輸送機で移動可能なサイズで重量40トン以内。周囲の空気により自然冷却する機構を備える。移動型原子炉は「半自律式」で無人にて安全機能を維持(監視計測に要する人員は必要最小限)。運転停止、冷却、接続解除、輸送準備はいずれも一週間未満で可能であり、発電再開までに要する期間は3日以内。メルトダウンが物理的に不可能な極めて安全な設計により、人員に及ぼす悪影響は最小限に留める事が可能。「同体積比での圧倒的なエネルギー密度を考慮すれば原子力は依然として最も魅力的な選択肢である」との見解である。

中南米

2014年の時点で中南米で原子炉を運転している国はメキシコ、アルゼンチン、ブラジルの3ヶ国である。なお、キューバは1983年に原子力発電所の建設を開始したことがあったが、資金面の影響により1992年に工事を中断し、現在に至っている。

ロシア

ロシアで運転している原子炉は計29基2,519万kW、2013年の発電量に占める原子力発電の割合は17.5 %。ロシアでの問題は老朽化である。運転中の原子炉の内、6割が老朽化しているといわれている。このため、現在既に11基の原子力発電所を建設中であり、更なる新設計画も立てられている。
2018年4月28日、水上原子力発電所アカデミック・ロモノソフ（KLT-40S原子炉2基搭載、電気出力52MW×2基）建造が完了した。

ヨーロッパ

ヨーロッパ全体での発電量に占める原子力発電の割合は2009年の時点で28 %。欧州連合 (EU) での原子力政策は加盟各国によってまちまちであり、ノルウェー、アイスランド、ポーランド、イタリア等の国では原子力発電は行われていない。反対にフランスは発電量に占める原子力発電の割合が世界で最も高い国である。58基もの原発が稼動しており、総電力の73 %もの電気エネルギーを原子炉から得ている。なおフランスは2007年には国内純発電量の12.4 %に相当する電力を輸出していた。他にイギリス、ドイツ、スペイン等の大国やスウェーデン、フィンランド、ハンガリーといった北欧・東欧諸国で原子力発電を利用中である。
ただしドイツでは福島第一原発事故の後、今後国内の原子力発電を順次廃止していく方針を決めている。ベルギーでは2014年の時点で7基の原子炉を使用しているが、すでに2003年1月に脱原子力法が議会で可決・成立しており、2025年までに原発を廃止するとしている。

アフリカ

アフリカ地域の1人あたりの電力使用量は先進国と比べるとまだまだ低い水準であり、原子力発電を実施している国は南アフリカ共和国ただ1国である。実施は1984年。発電量に占める原子力発電の割合は2014年の実績では5.7 %であった。また、2014年現在でエジプト、ケニア、ナイジェリア、ウガンダ、ナミビアその他の国々が原子力発電の導入を検討しているとされている。

中東

中東地域ではイランのブーシェフル原子力発電所が唯一の稼動中の原子力発電所である。しかし、トルコ、アラブ首長国連邦 (UAE)で原子力発電所の新規建設が決定されている。

中国

中華人民共和国における原子力発電は1994年に開始されたばかりで、後発国といえる。2013年の発電量に占める原子力発電の割合は2.1 %となっているが、今後の経済発展に伴う需要増に対応するため中国政府は相当数の原発建設を計画している。

日本

日本の原子力発電は、経済性や安全性から軽水炉の2つのタイプ、沸騰水型原子炉 (BWR) と加圧水型原子炉 (PWR) が使われている。また、需要に合わせた電気出力の増減、負荷追従運転は行わず、常時一定の電力供給を専門としている。
2010年、日本における電力量の約29 %を53基の原子力が担っていた。一次エネルギーとしての原子力エネルギーは電力事業のみであり、日本での一次エネルギーに対する割合は2002年の時点で15 %程度となっている。
また、2010年3月に営業運転期間が40年に達した敦賀発電所1号機をはじめ、長期運転を行う原子炉が増加する見込みであることから、これらの安全性の維持が課題となっている、と指摘された（2010年11月時点）。ただし2011年3月11日の福島第一原子力発電所事故の影響により、世論のみならず国会内部においても「原子力撤廃」の動きが活発になったことから先行きは不透明である。
福島第一原発事故後、福井県の関西電力の大飯発電所3号機・4号機の2基のみが稼動していたがその後停止し、長らくゼロ稼働状態が続いていた。しかし2015年8月11日、九州電力・川内原子力発電所1号機が震災後初めて原子力規制委員会の安全審査を経て再び起動し、9月10日に通常運転に復帰した。
一方、福島第2原子力発電所の原発4基は2019年7月に東京電力により廃炉決定がなされた。廃炉には40年を要し廃炉費用は2800億円と見積もられている。https://www.nikkei.com/article/DGXMZO47558200Z10C19A7MM8000/　
2019年に稼働している原子力発電所は9基のみである。

原子力発電の推進／撤退をめぐる状況

現在、世界的には2つの流れがある。すなわちエネルギー源としての原子力の利用を削減、廃止していこうとする流れと、エネルギー源としての原子力の利用を推進していこうとする流れである。

原子力撤廃

ベルギーでは2003年1月に脱原子力法が成立し、2004年に7基あった原子炉を2025年までに全廃すると決めた。
スウェーデン、イギリスは脱原子力を過去に目指していたものの、地球温暖化等の問題によりその政策を見直した。
2011年3月の福島原発事故後、ドイツ、スイスが脱原発に踏み出した。イタリアも国民投票の結果、投票の9割を超える反対で原発再開は凍結された。

日本

経済産業省の総合資源エネルギー調査会電気事業分科会の原子力部会は、2006年6月時点でまとめた報告書に「日本の原子力政策は、原子力設備の更新が予想される2030年以後も原子力発電が現在の総発電量の3割程度という水準か、それ以上の割合を占めることが適切である」といったことを記載し、それが資源エネルギー庁のウェブサイトにも掲載された。
また、増え続ける使用済み核燃料に含まれるプルトニウムの処分方法とウラニウムの輸入量を減らすための解決策として、高速増殖炉計画が推進され、2010年現在は原型炉のもんじゅが試験を繰り返し行っていたが廃止が決定された。核燃料サイクル政策としてMOX燃料によるプルサーマル計画も進められている。

2030年時点のエネルギーミックス構想

2015年6月に政府はコスト試算および地球温暖化ガス削減などを考慮して、2030年に目標とする電源構成比率（エネルギーミックス）を決定した。これは単なる目標の数字であるが、それによれば原子力発電20-22%、再生可能エネルギー発電（水力含む）22-24%、石炭火力発電26%、液化天然ガス・石油火力発電30%である。しかしながら原子力発電の比率は、現在50基以上ある原子力発電所を、原子力規制委員会の再稼働認可と地元の同意をとって30基以上を再稼働かつ運転期間を60年に延長した場合の数字であり、達成は困難とする意見が強い。福島事故前の原発依存度は26％であったが、現在の再稼働状況(9基が稼働中)から2030年原発依存度を予測すると、原発新増設が無ければ17％程度にしかならない。

原子力産業

エネルギー安全保障問題、地球環境問題等の影響で世界的に原子力への期待が高まっている。そのため、原子力エネルギー政策の国際的な協調が行われるようになってきており、アレヴァと三菱重工業、ウェスティングハウス・エレクトリック（CBSコーポレーション）と東芝、ゼネラル・エレクトリックと日立製作所が提携するなど、原子力産業界に変化が見られる。
日本では、国外の売り込みにおいてUAEで韓国勢に、ベトナムではロシア勢にそれぞれ敗れるなど遅れが目立ち始めたため、2010年10月には東芝・日立・三菱重工に加え東京電力などの電力会社を交えた合弁会社として国際原子力開発を設立し、日本国外向けの受注活動で相互協力する姿勢を示している。しかし福島原発事故のために原子力発電所建設費用は従来の3倍に上昇し、2019年現在海外原子力発電建設の案件は全く無くなった。

揚水発電

夜間などの需要減により”余ってしまう”原子力発電電力の有力な受け皿として、揚水発電所が設置されていることがある。夜間などの消費電力量が少ない時間帯に”余った”電力で低い場所から高い場所にポンプで揚水（つまり「水汲み」）しておき、昼間などの消費電力量が多くなる時間帯に水を高所から低所に落とし、その水力で発電をする。
一方、揚水発電は原子力のみのために作られたものではない、という意見がある。

米国シンクタンクの2014年における発電コスト試算

米国のシンクタンクが、「原子力発電コストは世界平均で1キロワット時当たり平均14セント（約15円）で、太陽光発電とほぼ同レベルであり、陸上風力発電や高効率天然ガス発電の8.2セント（約9円）よりもかなり高コスト」との試算を出した。エネルギー問題の米国企業系シンクタンク「ブルームバーグ・ニュー・エナジー・ファイナンス」が2014年9月16日に発表した。東京電力福島第1原発事故後の安全規制強化もあって建設費や維持管理に掛かる人件費などが世界的に高騰している一方で、太陽光発電はコスト低下が進んでいることが主な理由としている。このことは原子力の経済優位性が薄れていることを印象付ける結果となった、とされた。