このブログ記事では、トリウム原子力発電が既存のウラン原子炉のリスクを軽減する安全な代替エネルギー技術になり得るかどうかを検証します。
ウランの核分裂反応を利用する原子力産業は、スリーマイル島原発事故やチェルノブイリ原発事故後も「経済性」を重視し成長を続けてきました。しかし、日本の福島原発事故以降、安全性への懸念がさらに広がり、ドイツや台湾などが脱原発政策を表明するなど、その勢いは鈍化しています。こうした中、ウランの代わりにトリウムの核分裂反応を利用して発電する「トリウム炉」という技術が注目を集めています。トリウム炉は、原子力技術の黎明期である1970年代までウラン炉と並んで研究されていましたが、当時の技術状況や政治経済状況により見送られました。ウラン炉が衰退する今、当時のトリウム炉のデメリットがメリットに転じ、再び脚光を浴びています。トリウム原子炉の原理、特徴、再び注目される理由、そして実現方法について見ていきましょう。
トリウム原子炉は、使用する燃料からウラン原子炉とは根本的に異なり、その結果、原子炉の炉心内部で起こる反応も異なります。天然に存在するすべてのトリウムは、質量数 232 のトリウム 232 (²³²Th) として存在します。原子炉内で中性子が 232Th の原子核に衝突すると、原子核はこれを吸収して 233Th になります。この物質は非常に不安定で、すぐに 233Pa に崩壊します。その後、233Pa は約 27 日の半減期でゆっくりと 233U に崩壊します。結果として生じる質量数 233 の 233U は、ウラン原子炉で使用される 235U と同様に、比較的低エネルギーの中性子でも核分裂を起こします。トリウム原子炉は、この 233U の核分裂過程で発生する熱エネルギーから電気エネルギーを生成します。
トリウム原子炉はウラン原子炉に比べていくつかの利点があります。まず、世界のトリウム埋蔵量はウランの4倍です。さらに、ウラン原子炉は自然界に極めて微量に存在する235Uしか利用できませんが、トリウム原子炉は自然界に存在する232Th全体を利用できます。ウラン原子炉はプルトニウムなどの高レベル放射性廃棄物を排出しますが、その毒性は数万年も持続するため、その処分は大きな問題となります。しかし、トリウム原子炉は高レベル放射性廃棄物を排出しません。トリウム原子炉から排出される放射性廃棄物は、数百年以内に通常の炭鉱と同等のレベルまで毒性を失います。
トリウム原子炉の最大の特徴は、福島第一原子力発電所の事故のような不測の事態が発生した場合でも、核反応を自動的に停止できることです。ウラン原子炉では、中性子を吸収したウラン原子核が核分裂を起こし、中性子を放出するというサイクルを繰り返すことで、核反応が継続的に起こります。これを「連鎖反応」と呼びます。しかし、トリウム原子炉の反応過程では、最初に投入した中性子の数よりも少ない中性子が生成されます。つまり、外部から中性子を供給したり、反応中に中性子をさらに放出したりしない限り、核反応は停止します。
数十年前、トリウム原子炉が初めて研究された当時、プルトニウムのような高レベル放射性廃棄物を生成せず、中性子供給なしに反応が停止するというその特性は、致命的な欠陥と見なされていました。冷戦時代、原子力発電所建設の目的の一つは、核兵器用のプルトニウムなどの核物質を得ることであり、トリウム原子炉はその目的からは程遠いものでした。さらに、効率至上主義の時代において、自ら反応を持続できず、停止しやすいトリウム原子炉は、ウラン原子炉に比べて明らかに「劣った技術」と認識されていました。しかし、後に、ウラン原子炉の強みである、自律的な連鎖反応を持続させる能力こそが、人間の制御を失えば破滅的な事態へと転じる可能性があることが明らかになりました。 1986年のチェルノブイリ原発事故は、ロシアとウクライナで約5万人を放射線にさらしました。また、数年前に日本で発生した福島第一原子力発電所の事故では、約800人が死亡し、今もなお食糧供給の安全性を脅かしています。数十年にわたってウラン原子炉の危険性が明らかになり、トリウム原子炉の欠点と思われていたものが「安全性」という利点へと転じました。
安全第一の観点から見ると、中性子供給が途絶えれば反応が停止するという事実は確かに利点です。しかし、通常の条件下では、原子炉を停止させてはいけません。この問題に対処するために、主に2つの方法が研究されてきました。1つ目は、既存の原子炉で従来使用されている物質であるトリウムとウランまたはプルトニウムの両方を含む混合燃料を使用する方法です。ウランとプルトニウムは吸収するよりも多くの中性子を放出するため、連鎖反応を容易に持続させることができます。これにより、トリウムの核反応過程で失われた中性子が補われます。しかし、このアプローチには固有の限界があります。技術的にはそれほど困難ではありませんが、このような原子炉は真のトリウム原子炉ではなく、既存のウラン／プルトニウム原子炉とトリウム原子炉の中間的な妥協システムです。その結果、トリウム原子炉本来の利点の多くが失われます。ウランとプルトニウムを使用も生産もしないという利点は実現されません。さらに、混合比を調整することで連鎖反応の程度を制御できるものの、混合炉では事故発生時でも連鎖反応で放出された中性子によって核反応が継続します。つまり、この方法ではトリウム炉の利点が十分に発揮されておらず、本来利用されないトリウムを無駄に利用しているに過ぎません。
2つ目の方法は「陽子加速器」と呼ばれるもので、陽子を高速で照射し、タングステンなどの金属に衝突させることで、核反応に用いる大量の中性子を生成します。この方法を用いたトリウム原子炉は、事故が発生して陽子加速器への電力が遮断されても、核反応が徐々に停止するため、非常に安全です。1995年にイタリアの物理学者カルロ・ルビアがこの方法を初めて提案しましたが、長年注目されることはありませんでした。安定した連鎖反応を維持するのに十分な中性子を生成するには、約1GeVの加速器出力が必要であり、これは膨大な電力を必要とします。現在の技術では効率的な加速器の設計が困難であり、加速器の運転に消費される電力が原子炉自体の発電電力とほぼ等しくなるという状況になっています。まさに「治療が病気よりも悪い」という状況です。そのため、高効率の加速器の開発は陽子加速器方式にとって大きな課題となっています。さらに、この方法の性質上、核分裂は非常に高速の中性子を介して起こります。高速中性子によって引き起こされる核分裂反応では、低速中性子によって引き起こされる反応と比較して、単位質量あたり数十倍ものカドミウムが生成されます。カドミウムはクラス1の発がん性物質であり、人体にとって非常に有毒な金属です。
原子力発電が危機に瀕する今日、私たちは代替技術の可能性として「トリウム炉」を検討しました。トリウム炉は、ウランの代わりにトリウムを燃料として用い、従来の原子炉とは全く異なる核反応過程を経るため、従来型の原子炉にはない利点を有しています。しかし、実用化には依然として相当な研究が必要です。米国やインドなど、トリウムの埋蔵量が豊富な国がトリウム炉の研究をリードしており、特にインドは「新型重水炉（AHWR）」の名称で積極的に輸出を進めています。原子力発電のみならず、エネルギー産業全体が転換期にある今、トリウム炉の真剣な検討と研究は、その努力に見合うだけの価値があると言えるでしょう。
