原子力発電で使い終えた核燃料から核分裂していないウランや新たに生まれたプルトニウムなどをエネルギー資源として回収し、再び原子力発電の燃料に使うしくみを核燃料サイクルといいます。

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核燃料サイクルのしくみ

核燃料サイクルとは、原子力発電で使い終えた燃料から核分裂していないウランや新たに生まれたプルトニウムなどをエネルギー資源として回収し、再び原子力発電の燃料に使うしくみです。
原子力発電の燃料になるウランは、ウラン鉱石として鉱山から採掘されます。このウラン鉱石には、核分裂しやすいウラン235が約0.7%、核分裂しにくいウラン238が約99.3%含まれています。
これを発電に使いやすいようにウラン235の濃度を高めるなど、さまざまな工程(製錬→転換→濃縮→再転換→成型加工)を経て、燃料集合体に加工して、原子炉の中に入れ、発電を行います。
ウラン235の原子核に中性子をあてると核分裂し、核分裂生成物の生成とともに中性子を放出し、同時に熱エネルギーが発生します。発電では、主にこの熱エネルギーが利用されています。
一方、ウラン238は、ほとんどが核分裂をせず、中性子を吸収して核分裂しやすいプルトニウム239に変わります。
3年程度の間、発電に使われた燃料は取り出されますが、使用済燃料には、核分裂せずに残ったウラン235やウラン238、そして新たに発生したプルトニウム239が合わせて95~97%含まれています。
このウラン・プルトニウムを再処理「再処理と使用済燃料の中間貯蔵参照」という工程で回収し、混合酸化物燃料(MOX燃料、Mixed Oxide Fuel)とすれば、再び原子力発電所で使用(プルサーマル)することができます。

発電によるウラン燃料の変化(例)

発電によるウラン燃料の変化(例)

出典:電気事業連合会「原子力コンセンサス」より作成

関連情報(詳細):エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

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核燃料サイクル事業の状況

核燃料サイクル事業は、日本原燃(株)(JNFL、Japan Nuclear Fuel Limited)が中心となって青森県六ヶ所村で進められています。1992年3月にウラン濃縮工場、1992年12月に低レベル放射性廃棄物埋設センター、1995年4月に高レベル放射性廃棄物貯蔵管理センターが、それぞれ操業を開始しています。
なお、ウラン濃縮工場は、年間1,050トンSWU(SWU:ウランの濃縮に必要な仕事量を表す単位)の規模で操業を行っていましたが、新型遠心分離機への置き換え工事のために一旦操業を停止しました。その後、従来の遠心分離機を順次、新型の遠心分離機に置き換え、2013年5月までに年間75トンSWUの生産運転を再開していましたが、安全性向上工事や新型遠心分離機への更新工事などのため、2017年9月より自主的に生産運転を一時停止しています。
また、JNFLのMOX燃料工場は、2010年10月に工事が開始され、2022年度上期のしゅん工を目指して建設工事が進められています。

核燃料サイクル施設の位置

核燃料サイクル施設の位置

提供:日本原燃(株)

関連情報(詳細):エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

核燃料サイクル

核燃料サイクル

※1. MOX(Mixed Oxide)燃料:プルトニウムとウランの混合燃料

※2. 使用済MOX燃料についても、使用済ウラン燃料と同じように再処理する方針

出典:エネ百科「原子力・エネルギー図面集」

【製錬】

鉱山からウラン鉱石を採掘して、化学処理を行い、八酸化三ウラン(U3O8)を取り出します。このときの状態をイエローケーキといいます。さらに不純物が取り除かれます。日本では、この工程を海外に委託しています。

ウラン鉱石

ウラン鉱石

写真提供:日本原燃(株)

イエローケーキ

イエローケーキ

写真提供:日本原燃(株)

【転換】

濃縮のために、イエローケーキを六フッ化ウラン(UF6:56.5℃で固体から気体へ昇華)にします。日本は、この工程を海外に委託しています。

【濃縮】

ウラン235の濃度を天然の状態の約0.7%から、軽水炉での使用に適した3~5%に高めます。気体状態の六フッ化ウラン(UF6)を、高速回転中の遠心分離機に入れると、遠心力により重いウラン238が外側に、軽いウラン235が内側に分離されます。
日本では、青森県六ヶ所村にある日本原燃(株)が濃縮事業を行っていますが、国内需要の大半は、海外に委託しています。

【再転換】

燃料として成型加工するために、UF6を酸化物(UO2:二酸化ウラン)にします。日本では、茨城県東海村にある三菱原子燃料(株)が再転換事業を行っていますが、海外にも委託しています。

【成型加工】

UO2の粉末を焼き固めてペレットとし、燃料集合体に加工します。日本では、この工程の大半を国内のウラン燃料成型加工会社が行っています。

ワンポイント情報

核燃料サイクルの発電コストへの影響

使用済燃料の全量を適切な期間貯蔵しつつ再処理していく場合、再処理や高レベル放射性廃棄物の処分にかかるサイクル費用は1.5円/キロワット時と試算されています。
原子力の発電コスト10.1円/キロワット時に占めるサイクル費用の割合は約15%と小さいため、石炭火力の12.3円、LNG火力の13.7円(各電源の発電コスト参照)と比べても発電コストは低く、影響は大きくありません。

発電コストに占めるサイクル費用

電コストに占めるサイクル費用

出典:経済産業省「長期エネルギー需給見通し小委員会に対する発電コスト等の検証に関する報告(平成27年5月)」より作成

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