核廃棄物の代替用途

CO2 やその他の有害な汚染物質を大量に排出せずに大量の電力を生成したい場合、原子力発電は最適です。 しかし、この技術の大きな問題は常に廃棄物の問題でした。 原子力発電所の運転から生じる副産物の多くは放射性であり、何千年も放射性のままです。 この廃棄物を安全かつ経済的な方法で保管することが依然として問題となっています。

この廃棄物の流れに対処する代替方法は、引き続き活発な研究分野です。 では、この廃棄物を転用または再利用できる方法にはどのようなものがあるのでしょうか?

典型的な軽水炉 (LWR) からの廃棄物の主な形態の 1 つは、核分裂反応からの使用済み燃料です。 これらは、およそ 3% の廃棄物同位体、1% のプルトニウム同位体、および 96% のウラン同位体で構成されています。 この廃棄物には超ウラン元素が多く含まれており、その半減期は数千年と測定されます。 これらは、人間社会の寿命をはるかに超える期間、安全な場所に安全に保管しなければならないため、保管に関して最大​​の問題を引き起こします。

この問題に対して提案されている解決策は、代わりに高速中性子炉を使用することです。高速中性子炉は、非核分裂性ウラン 238 をプルトニウム 239 とプルトニウム 240 に「増殖」させ、新しい燃料として使用できます。 高度な設計では、他のアクチニドを処理して核分裂プロセスの燃料として使用する機能も備えています。 これらの原子炉には、ウラン燃料に含まれるエネルギー成分のほぼすべてを利用できるという利点があり、従来の方法と比較して燃料使用量を 60 ～ 100 分の 1 に削減できます。

残念なことに、高速増殖炉技術は主に経済的な理由で抑制されてきました。 1970年代にさらに豊富なウラン資源が発見されたことにより、廃棄物を再処理するよりも単により多くの燃料を掘り出すほうが安価であることがわかった。 さらに、高速増殖炉が兵器に適した核物質を生成する能力についての懸念も開発を妨げている。 このテクノロジーは有望ですが、この分野での主要な開発はおそらく数十年先になるでしょう。

宇宙船が宇宙の彼方の奥深くへ旅する場合、太陽光発電が常に必要なわけではありません。 火星を過ぎると、太陽から入ってくる光はそれほど多くなくなり、ソーラーパネルが電力供給用の実行可能な選択肢になります。 このような場合、宇宙船は多くの場合、熱電対を備えたケースに放射性物質を詰めた放射性同位元素熱電発電機 (RTG) を使用します。 崩壊した物質の熱により、熱電対アレイを介して電気が発生し、宇宙船を動かすために使用されます。 追加の利点は、提供される熱により、船上のシステムが適切な動作温度に保たれることです。

歴史的に、これらはロシアと米国によって使用されてきましたが、欧州宇宙機関はこの技術の入手に熱心です。 この計画には、核燃料再処理による英国のプルトニウム廃棄物ストックからアメリシウム 241 を抽出することが含まれています。 廃棄物の処理という点では大規模なプロジェクトにはなりそうにないが、RTG 材料の有用な供給源として役立つ可能性がある。 以前使用されていたプルトニウム238は核兵器の製造に使用され、現在は停止されている原子炉からのみ入手可能だったため、米国の在庫が減少している現在、これは特に重要である。 より多くの生産を目指して競争が続いていますが、それまでの間、これにより英国のプロジェクトへの扉が開かれます。

この分野における別のアイデアはベタボルタ電池です。 これは、放射性物質のベータ崩壊によって放出される電子を捕捉する半導体材料を使用することによって機能します。 ブリストル大学は、英国の原子力施設で使用される廃黒鉛減速材ブロックから出る放射性炭素14を利用した「ダイヤモンド電池」の開発に取り組んでいる。 ブロックは炭素 14 の大部分が存在する外層が削り取られており、これは崩壊時に電子を放出する人工ダイヤモンドの作成に使用されます。 これらはその後、放射線が大気中に漏れるのを防ぐために、非放射性炭素 12 の殻に包まれます。 ベータ崩壊で放出される電子は低エネルギーであるため、わずかな遮蔽のみが必要です。 このようなバッテリーは、数千年間にわたって 100uW 程度の電力を供給できると推定されています。

原子力産業のもう 1 つの主要な副産物は劣化ウランです。 これは、原子炉で使用する燃料を準備するために必要な濃縮プロセスの後に残ったウランです。 これは主に非核分裂性のウラン 238 で構成されており、ウラン 235 の大部分が濃縮プロセス中に除去されるため放射性は低くなりますが、依然として多少の放射性を持っています。

劣化ウランには、軍事用途にとって非常に魅力的ないくつかの特性があります。 密度が高いということは、対戦車兵器に適した弾頭となることを意味します。 劣化ウラン弾は貫通能力に優れており、重戦車の装甲を貫通することができます。 これは、それらの自己研磨特性によっても促進されます。 劣化ウラン弾頭が標的に衝突すると、鋭利な状態を保つように破壊されますが、その衝撃の熱が、結果として生じる劣化ウラン粒子の雲の点火を助けます。 これにより、このような弾丸はそのような役割で非常に効果的となり、多くの場合、タングステンなどの他の高密度材料に取って代わります。

劣化ウランには兵器以外にも用途があります。 最近、化学処理の分野で劣化ウランの新たな用途が発見されました。 サセックス大学の研究者グループは、この材料を使用してエチレンをエタンに変換するのに役立つ触媒を作成しました。 2 つの化学物質間の変換は新しいものではありませんが、劣化ウランの新しい用途です。

濃縮プロセスで生じる大量の劣化ウランの保管は、世界中の政府にとって継続的な問題となっています。 この物質を工業プロセスで使用できるようになれば、単に廃棄場に保管したり、戦車や戦闘機で外国に発射したりすることに代わる実行可能な選択肢となる可能性がある。 ただし、軽度放射性物質が職場にさらなる危険や健康上の問題を引き起こさないように注意する必要があります。

残念ながら、核廃棄物の再利用と再処理の方法には問題があります。 これらのプロセスの多くは、核物質が盗まれたり転用されたりする可能性をもたらします。 これは核兵器の拡散の危険をもたらします。

たとえば、実行可能な核兵器を作成するために必要なプルトニウムの量は、数十ポンド単位で測定されます。 再処理が工業規模で行われているため、大量のこの物質が検出されずに失われる可能性があります。 これは厄介な問題であり、同位体とプロセスの正確な詳細に依存します。 例えば、軽水炉から出る現在の核廃棄物は、放射能が高すぎて容易に盗むことができないと考えられているため、懸念されていない。 しかし、燃料再処理のような技術には使用済み燃料から兵器級物質が生成される可能性があり、多くの政府は可能な限り阻止しようとしている。

さらに、核廃棄物をリサイクルまたは再利用する取り組みは、物質専用の保管ソリューションを見つけるために適用されるべきリソースを奪うことになると主張する人もいます。 米国を含め、多くの国が恒久的な廃棄物処分場の設置に足を引っ張っている。 現在の原子炉からの使用済み燃料は数千年にわたって安全ではないままであるため、この既存の廃棄物を安全に長期保管する解決策を見つけることが優先されるべきです。

基本的に、核廃棄物の放射性が高く危険な性質は、その物質を処分しようとしている政府や業界にとって多くの課題を引き起こします。 現状は主に、増え続ける核廃棄物の量をどうするかをめぐって数十年にわたる闘争が続く間、それが積み重なるのを放置することになっている。 理想的には、新しいテクノロジーによってクリーンかつ安全な方法で問題に対処する道が開かれるでしょうが、それまでの間は難しい政治的決定を下す必要があるでしょう。