リサイクルされた核廃棄物が新しい原子炉の動力源となる

アイダホ国立研究所は、同名の州の南東端に約900平方マイル（約2400平方キロメートル）の広大な敷地を擁しています。アメリカ初の原子力発電所を擁するINLは、数十年にわたり原子力エネルギー技術の未来を実証する場として機能してきました。その過程で、研究所は数百トンものウラン廃棄物を生み出してきました。これらはもはや発電効率を失っています。使用済み燃料は一時的な貯蔵施設に保管されており、埋め立て地をめぐって政治家たちが争っています。

使用済み燃料の大部分はおそらく地中に埋められることになるでしょうが、それがいつ、どこで行われるかは未知数です。結局のところ、核廃棄物を自宅の裏庭に埋めるという考えに、多くの人が乗り気ではないのです。しかし、少なくとも一部の使用済み燃料は、従来の原子炉よりも小型で安全な先進的な原子炉の燃料として、再び活用される可能性があります。INLの科学者たちは、この1年間、新世代の小型商用原子炉の燃料需要を満たすために、使用済みウランのリサイクルに取り組んできました。

先週、INLは原子力エネルギーのスタートアップ企業であるオクロ社を、同社のリサイクルウラン燃料在庫へのアクセスを初めて得る企業として選定しました。オーロラと呼ばれるオクロ社の原子炉は、現在電力網に投入されている原子炉とは大きく異なります。アメリカにある96基の原子炉は、それぞれ広大な敷地内に設置されており、600メガワットから4,000メガワットの電力を供給できます。一方、オーロラは小さなAフレームの小屋のような外観で、発電量はわずか1.5メガワットです。オクロ社の原子炉は、使用する燃料においても従来の原子力システムとは一線を画しています。「高分析・低濃縮ウラン」（HALEU）と呼ばれるこの燃料は、より小さな容器により多くのエネルギーを詰め込んでいます。

自然界では、ウラン鉱石は主にウラン238という同位体と少量のウラン235で構成されています。原子炉を動かす核分裂反応を持続できるのはウラン235だけなので、鉱石を使用可能な燃料にするには、濃縮と呼ばれるプロセスでウラン238を分離する必要があります。現在、米国の原子炉はすべて5%未満の濃縮度で燃料を使用していますが、HALEUの燃料は5%から20%まで濃縮されています。Okloの共同創設者兼CEOであるジェイコブ・デウィット氏によると、オーロラで使用される燃料はその範囲の上限となるとのことです。

「先進炉の素晴らしい点は、より高い濃縮レベルを実現しながらも小型化を実現できることです。これによりシステムの経済性が向上します」とデウィット氏は語る。「現在、米国のサプライヤーが生産していないこの材料を、私たちが利用できるようにしてくれるのは、本当に素晴らしいことです。」

INLの決定は、オクロ原子力発電所、そして先進原子力システム全体にとって大きな前進となる。同研究所は現在、米国でHALEU燃料を製造できる唯一の施設であり、この燃料を使用する先進原子力システムは、原子炉の実証実験を開始する前に同研究所の承認を得なければならないことを意味する。

オクロは現在、最初のオーロラ原子炉建設の申請書を準備しており、来月原子力規制委員会に審査のために提出する予定です。デウィット氏は、承認プロセスには2年、原子炉の建設にはさらに1年かかると予想しています。すべてが計画通りに進めば、オクロのオーロラは使用済み核燃料から生成されるHALEU燃料で稼働するアメリカ初の原子炉となります。

デウィット氏によると、オーロラ実証炉には数千ポンドのHALEU燃料が必要になるという。数ヶ月前まで米国には事実上HALEU燃料が存在しなかったことを考えると、これは非常に大きな課題だ。INLは、最大10トンのHALEU燃料を製造できる使用済み核燃料を敷地内に保有していると見積もっている。使用済み燃料を1年間リサイクルした結果、同研究所は燃料グレードに近い物質を1,000ポンド以上生産したが、INL原子力科学技術局の主任科学者であるジェス・ゲヒン氏は、研究所がプロセスを改良していく中で、生産量を増加させたいと考えている。

INLは、実験増殖炉IIの使用済み燃料を使用しています。実験増殖炉IIは、約30年間研究所の大部分に電力を供給し、リサイクル燃料も使用していた原子力発電所です。原子炉の使用済み燃料をHALEUに転換するために、INLの科学者たちはまず、原子炉の運転中に生成されたプルトニウムなどの不要な元素からウラン235を分離します。これは、使用済み燃料を溶融塩の浴槽に浸し、その後、大量の電気を流して華氏1,000度近くまで加熱するというものです。

実験増殖炉で使用されるウラン235は67%に濃縮されているため、燃料として使用できない他の同位体と混合して濃縮度を20%未満に下げる必要があります。最終的に、ダウンブレンドされたウラン235は、直径わずか数センチメートルの小さなパックに変換され、燃料製造プロセスの原料として使用されます。

「この技術は何十年も前から存在しているので、燃料処理における技術的な課題はほとんどありません」とゲヒン氏は言う。「問題は、処理速度を上げることであり、私たちはそれを加速させるべく取り組んでいます。」

国立エネルギー研究所（NEI）は、2030年までに米国のHALEU燃料の年間需要が現在の100倍に達すると予測しています。これは主に、オクロのオーロラのような先進的な商用原子炉の拡張によるものです。INLは、この燃料のすべてを自力で供給することは不可能であり、そもそもそのように計画されていたわけでもありません。INLの役割は、オクロや先進的な原子力エネルギーに取り組む他の企業が原子炉の実証実験を行うのに十分な量の燃料を生産することです。需要の急増に真に応えるためには、米国は強固な商用サプライチェーンを構築する必要があります。

昨年、エネルギー省は、オハイオ州にある同社のウラン濃縮工場でHALEU燃料の商業生産を開始するため、原子力エネルギー会社セントラス社に1億1500万ドルの契約を交付したと発表しました。今月初め、同省は別の原子力エネルギー会社BWXテクノロジーズ社に、HALEU燃料の製造に関する360万ドルの契約を交付しました。BWX社は2024年までに燃料を納入する予定です。

アイダホ国立研究所とは異なり、これらの企業は使用済み核燃料から高濃縮ウランをダウンブレンドするのではなく、ウランを濃縮してHALEU燃料を製造する予定です。オクロの原子炉はリサイクルされた核燃料で稼働できますが、最初に電力網に投入される原子炉はほぼ確実に新鮮なウラン燃料で稼働するでしょう。BWXテクノロジーズのCEO、レックス・ゲヴェデン氏によると、ウランを濃縮してHALEU燃料を製造することが、唯一持続可能な方法です。「使用済み燃料の使用は、実際には限られた数の原子炉にしか役立ちません」とゲヴェデン氏は言います。「米国は再び濃縮能力を必要とするでしょう。」

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