核燃料とは？ウラン・プルトニウムの種類・原理・用途をわかりやすく解説

ウラン・プルトニウムの種類・原理・用途を図解でやさしく解説。核燃料の役割・安全性・処理まで一読で理解できる入門ガイド。

核燃料とは、燃やしてエネルギーを得る化学燃料になぞらえて、消費することで核エネルギーを引き継ぐことができる物質である。核燃料は、最も高密度なエネルギー源である。

ほとんどの核燃料は、原子炉の中で核分裂の連鎖反応を起こすための重い核分裂性元素を含んでいます。最も一般的な核燃料はウランとプルトニウムですが、すべての核燃料が原子炉で使用されるわけではありません。また、放射性同位元素熱電発電機の動力源となるものもある。

核分裂のしくみ（簡単な原理）

核燃料が放つエネルギーの多くは「核分裂」によるものです。重い原子核（例えばウラン235）が中性子を吸収して不安定になり、二つ以上の小さな核に分かれる際に大量のエネルギーと複数の中性子を放出します。放出された中性子がさらに他の核を分裂させると連鎖反応が起こり、これを制御することで安定した熱エネルギーを得られます。

ポイント：1回の核分裂で放出されるエネルギーは約200MeV（数千万倍の化学反応より大きい）であり、質量あたりのエネルギー密度は化学燃料を大きく上回ります。例えば、ウランの核分裂は同質量の石炭や石油に比べ非常に大きなエネルギーを生みます。

ウランとプルトニウムの種類

• ウラン（U）
  • U-235：核分裂性（fissile）。天然ウラン中に約0.7％含まれ、軽水炉などで直接核分裂を起こす主要同位体。
  • U-238：主にfertile（育成可能）な同位体で、直接は核分裂しにくいが中性子を吸収してプルトニウム239に変わる。
  • 実用上は天然ウランからU-235の割合を高める濃縮（エンリッチメント）を行い、軽水炉では通常3〜5％程度のU-235にして燃料とする。
• プルトニウム（Pu）
  • Pu-239：主に核分裂性。U-238が原子炉内で中性子を吸収して生成される。核燃料としてだけでなく核兵器材料としても注目される。
  • Pu-240、Pu-241なども存在し、燃料としての性質や用途が異なる（軍事的な分類で兵器級か発電用かが区別される）。
  • Pu-238：核分裂性ではないが強い放射線と熱を出すため、RTG（放射性同位元素熱電発電機）の熱源として使用される。

核燃料の形態と製造

• 燃料ペレット：一般的な原子力発電所では酸化ウラン（UO2）を高密度に焼結して直径約8〜10mm、長さ約10〜20mmのペレットを作り、金属被覆管（クラッディング、通常はジルコニウム合金）に詰めて燃料棒にする。
• 燃料集合体：多数の燃料棒を格子状に束ねて燃料集合体（アセンブリ）とし、原子炉に装荷する。軽水炉、重水炉、沸騰水炉などで形状やレイアウトは異なる。
• MOX燃料：混合酸化物燃料（Mixed Oxide, MOX）は、ウラン酸化物にプルトニウム酸化物（PuO2）を混ぜた燃料で、使用済み燃料から回収したプルトニウムを再利用する手法に使われる。
• 金属燃料・ほか：高速増殖炉などでは金属燃料や窒化物を使うこともある。

原子炉での制御と役割

• 減速材（モデレーター）：中性子のエネルギーを下げることでU-235などの核分裂確率を高める役割があり、軽水（H2O）、重水（D2O）、グラファイトなどが使われる。
• 制御棒：ボロンやカドミウムなどの中性子吸収材を用いて連鎖反応の速さを調整し、出力を制御する。
• 臨界と安全余裕：原子炉は臨界（1つの分裂で平均1個の中性子が次の分裂を引き起こす状態）を維持しつつ、外部からの操作で出力を変えられるよう設計されている。

核燃料の用途

• 発電用原子炉：最も一般的な用途で、蒸気発生→タービンで電力生成を行う。
• 原子力艦艇（潜水艦・空母）：高出力・長航続を必要とする艦船で核燃料が用いられる。燃料交換は長期間不要な設計が多い。
• 研究用・医療用原子炉：中性子源や放射性同位体生成のための小型炉がある。
• RTG（放射性同位元素熱電発電機）：太陽光が得られない宇宙探査機や遠隔地で、Pu-238などの放射性同位体の崩壊熱を利用して電力を供給する。

使用済み燃料と処理・廃棄

燃料は原子炉で徐々に消費され、一定期間で取り替えられる。この使用済み燃料は高い放射能と熱を持つため、まずは冷却プールで数年冷却され、その後乾式キャスクで保管する方法がとられることが多いです。

• 再処理：使用済み燃料からウランやプルトニウムを化学的に分離して再利用する技術がある（例えばPUREX法）。再処理には経済性や拡散防止の観点から賛否がある。
• 高レベル放射性廃棄物：ガラス固化（ビトリフィケーション）などで安定化し、地層処分場に長期隔離する計画が検討・実施されている国もある。
• 拡散防止：分離されたプルトニウムは軍事転用のリスクがあるため、国際的な管理・監視が重要である。

安全性と規制

核燃料の取扱いは厳格な規制と安全基準のもとで行われます。臨界事故の防止、放射線防護、環境への放出管理、輸送の安全性確保など、多方面の措置が必要です。国際原子力機関（IAEA）などによる査察や条約も存在します。

まとめ

核燃料はウランやプルトニウムを中心に、高いエネルギー密度をもつ重要なエネルギー資源です。原理は中性子による核分裂の連鎖反応で、原子炉設計や燃料形態、使用後の処理方法によって利用法や安全対策が大きく異なります。発電や海洋・宇宙用途で有効な一方、放射性廃棄物や核拡散の課題も抱えており、技術面・政策面の両面で慎重な対応が求められます。

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