原子力発電所の原理は、どれも基本的には同じである。核分裂によって生じた熱を電力に変換する仕組みで、複数ある方法はどれも安全性と効率の微妙なバランスをとることが求められる。
原子炉が実力を最大限に発揮するには、炉心がかなりの高温に達する必要がある。仮に高温に耐えられずにメルトダウン（炉心溶融）を起こせば、環境が汚染されたり人々が死んだり、除染作業に何十億ドルもかかったりする危険性が生じる。
最近の事故は、東日本大震災の津波によって起きた東京電力の福島第一原子力発電所のメルトダウンで、それからまだ10年も経っていない。だが、今後数年で操業を開始する新世代の原子炉は、メルトダウンのような惨事を過去のものにしようとしている。
大粒キャンディーのような燃料
この新世代の原子炉は、現在の原子力発電所のものより小型で高効率であるだけではない。設計者によると、実質的にメルトダウンが起きない設計だというのだ。
その秘密は、何百万ものサブミリメートルサイズのウラン粒子が、個別に保護シェルで包まれている点にある。これは「トリソ燃料」と呼ばれるもので、放射性の大粒キャンディーのようなものだ。
トリソとは、物理的性質が方向によって違わないことを意味する「3構造の等方性＝tristructural isotropic」の略である。この燃料は低濃縮ウランに酸素を混合したもので、その周囲は炭素とケイ素が交互に3層ずつ重なる炭化ケイ素でコーティングされている。
この燃料粒子はケシの実より小さいが、層構造のシェルによって原子炉内で起こりうる最も極限の条件下でも内部のウランは融解することがないという。
「事故の起きない原子炉」のメカニズム
米国のアイダホ国立研究所（INL）の「改良型ガス原子炉（AGR）燃料開発および適格性プログラム」でディレクターを務めるポール・デムコヴィッツは、次世代原子炉の最悪のシナリオをシミュレーションすることが主な仕事だ。彼は同僚たちとともにこの数年、トリソ燃料を原子炉に入れて超高温にするなどの適性検査を実施してきた。
現在の大半の原子炉は約538℃をはるかに下回る温度で運転されており、次世代の高温原子炉でも上限がおよそ約1,093℃の予定である。これに対してINLでは、トリソ燃料が1,760℃を超える原子炉でもちこたえることを証明した。2週間もの長期検査で、30万個のトリソ燃料粒子のうちコーティングを失った粒子はひとつもなかったという。
「新型原子炉の設計では、こうした超高温を超えることは基本的に不可能です。なぜなら超高温に達すると、原子炉がいわばシャットダウンするからです」と、デムコヴィッツは言う。「ですから、この原子炉の設計において超高温に耐えうる燃料を使えば、基本的に“事故の起きない原子炉”ができるわけです」
原発の巨大な構造物が不要に
従来型の原子炉では、メルトダウンに対する主な防衛線は「制御棒」だ。制御棒は、原子力発電所で炉心の核分裂率を制御するために使われる。高温になりすぎた場合でも、炉心に何本かの制御棒を入れると、核分裂率と温度が下がる。さらに世界中で稼働している原子炉は、不測の事態の際に放射性物質が飛散しないように、巨大な格納構造の内部に安置されている。
ところがトリソ燃料では、このような安全機能は不要になる。なぜなら、燃料粒子の一つひとつが実質的に“制御棒”に包まれているようなものだからだ。こうして、以前なら不可能だった小型原子炉の設計に門戸が開かれたのである。
「もはや原子炉の建設において、何億ドルもかかる巨大な格納庫を建設する必要はなくなりました」と、トリソ燃料と原子炉を製造するBWXテクノロジーズ（BWXT）の原子炉運用部門の責任者のジョエル・デュリングは言う。「原子炉を貨物用コンテナに収容しても、従来の商用原子炉の安全機能をすべて備えることができるのです」
トリソ燃料そのものは1960年代から存在していた。しかし、製造コストが高く、世界中の多くの原子力発電所にある巨大な軽水炉［編註：軽水、つまり普通の水を減速材と冷却材に兼用する原子炉。世界の原子力発電の主流になっている］のニーズを満たす十分なエネルギー密度を得られなかった。
ところが、米エネルギー省が15年に「原子力の技術革新を加速するゲートウェイ」（GAIN）プロジェクトを立ち上げて小型高温原子炉の製造企業の支援を開始すると、いよいよトリソ燃料の時代が到来したと思われた。しかし問題があった。トリソ燃料を製造する企業が存在しなかったのだ。
原子力ルネッサンスの兆し
米国の核燃料の生産量は、ウランの価格と需要の低下によって、1980年代半ばから急降下していた。こうしたなかBWXTは03年、エネルギー省と協力してトリソ燃料の検証を実施し、需要さえあればトリソ燃料を量産できることを証明したのである。
当時のジョージ・W・ブッシュ大統領は、米国で「原子力ルネッサンス」が目前に迫っているとしきりに語っていたが、この発表は早計だったようだ。原子力ルネッサンスはそれから15年、原子力関連スタートアップ企業に何億ドルもの連邦政府の資金を投入してようやく具体化の兆しが見え始めた。
そして19年10月、BWXTはトリソ燃料の生産ラインを再開すると発表した。今後数年で操業を開始する次世代高温原子炉に、燃料を供給することを明らかにしたのである。
「当社ではそう遠くない将来に新型原子炉の波が訪れ、大きな需要が喚起されると見ています」と、BWXTにおデュリングは言う。「2020年代後半から30年代初頭にかけて、トリソ燃料は主要燃料の地位を独占することでしょう」
ジェリービーンズのようなビーズ玉
BWXTは、トリソ燃料を商用生産する米国のわずか2社のうちのひとつで、実験用に3Dプリントした原子炉で利用するために米国政府にも供給している。もう1社はメリーランド州のX-energyで、原子力エネルギー事業には比較的新しく参入した企業だ。同社は19年初頭以来、オークリッジ国立研究所（ORNL）でトリソ燃料の試験生産施設を運用している。
天然ウランをトリソ燃料にするには、複数のプロセスが必要になる。まず、自然界にあるウラン鉱石を採掘するか、または兵器級の高濃縮ウランを低濃縮化して得たウランを化学物質でゲル状のビーズ玉にする。このビーズ玉状のウランは直径わずか1mmで、ジェリービーンズのような粘度をもっている。
このビーズ玉状のウランを炉に入れ、高温で分解するガスを注入すると、中心部のウラン粒のまわりに炭素とケイ素による炭化ケイ素の層が形成される。こうして破壊できないトリソ燃料粒子が大量にできあがり、何十万もの円筒形ないし球状の燃料ペレットにプレス加工される。
BWXT製の燃料ペレットは従来の形状に近く、弾丸ほどの大きさの小さな円筒形だ。これに対してX-energyのペレットは、ビリヤードの玉ほどの輝く銀色の球体である。X-energyのCEOで米エネルギー省の元事務次官のクレイ・セルは、この燃料ペレットを「パワーボール」と呼び、同社の新型原子炉「Xe-100」の燃料に使用する予定だという。
Xe-100は、小型のペブルベッド炉［編註：炉心の構成物質である核燃料や減速材などを小さな球状にして、それらを積み上げて炉心を構成する原子炉］で、わずか75メガワットの電力を生成するよう設計されている（ちなみに比較のために引用すると、米国で稼働している最小の原子炉は約600メガワットだ）。
X-energyの燃料生産担当ヴァイスプレジデントのピート・パパーノは、このトリソ燃料ペレットをガムボールの販売機になぞらえる。「パワーボールは炉心を下って底部に達し、そして頂上まで上っていくのです」。トリソ燃料のパワーボールが炉心におけるこのサイクルを完成するまで、約半年かかる。トリソ燃料の交換が必要になるまで、炉心を6回通過できるという。
セーフティケースが一変
ほかにもメリットがある。原子炉の周囲に何マイルもの空き地を必要としないだけでなく、トリソ燃料を使って運用する将来の原子力発電所は電力供給先の近くに建設することも可能だと、X-energyのセルは言う。
「トリソ燃料の場合、物理の法則に逆らって原子炉内でメルトダウンすることは物理的にありえません」と、セルは説明する。「しかもメルトダウンがありえない原子炉を使えば、セーフティケース［編註：安全性を保障するための論拠］が完全に変わります」
これが今年、米国防総省が遠隔の軍基地用に小型の移動型原子炉を開発する契約をX-energyとBWXTの双方と結んだ理由のひとつである。そして、米航空宇宙局（NASA）が原子力宇宙船向けにトリソ燃料を検討している理由だ。
ほかの高度な商用原子炉と同様に、Xe-100はいまのところ米国の原子力規制委員会によって検査を受けている段階にある。検査は時間と多大な努力を要するが、承認されればX-energyは10年も経たぬうちに原子炉の本格的なデモンストレーションを実施する用意がある、とパパーノは言う。
その日が来るまで、X-energyもBWXTもトリソ燃料の生産施設の拡大に注力することになる。次世代原子炉が誕生したときに、メルトダウンを過去のものにできる燃料が入手できるようにするためだ。
※『WIRED』による原子力エネルギーの関連記事はこちら。
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August 24, 2020 at 09:00AM
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