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原子力発電所（NPP ） [ 1 ]は、原子力発電所（NPS）、原子力発電所（NGS）、または原子力発電所（APS ）とも呼ばれ、熱源が原子炉である火力発電所です。火力発電所の典型的な例と同様に、熱を利用して蒸気を発生させ、その蒸気で発電機に接続された蒸気タービンを駆動して発電します。2025年10月現在 国際原子力機関は、世界 31か国で416基の原子力発電炉が稼働しており、62基の原子力発電炉が建設中であると報告した。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
ほとんどの原子力発電所は、濃縮ウランを用いた熱中性子炉をワンススルー燃料サイクルで使用しています。燃料は、中性子を吸収する原子の割合が連鎖反応を維持できないほど高くなった時点で取り出され、通常は3年後に取り出されます。その後、使用済み燃料プールで数年間冷却されてから、長期貯蔵施設に移送されます。使用済み燃料は、体積は小さいものの、高レベルの放射性廃棄物です。放射能は指数関数的に減少しますが、数十万年にわたって生物圏から隔離する必要があります。ただし、高速炉などの新しい技術は、これを大幅に短縮できる可能性があります。使用済み燃料は依然として大部分が核分裂性物質であるため、一部の国（フランスやロシアなど）は、核分裂性元素と増殖性元素を抽出して新しい燃料を製造することで使用済み燃料を再処理していますが、このプロセスは採掘されたウランから新しい燃料を製造するよりもコストがかかります。[ 5 ]すべての原子炉は使用済み燃料中にプルトニウム239を生成し、プルトニウム239は核兵器の好ましい材料であるため、再処理は兵器拡散のリスクと見なされています。
原子力発電所の建設には5年から10年かかることが多く、初期投資の資金調達方法によっては多額の費用がかかる可能性があります。[ 6 ]建設費用が高く、運転、保守、燃料費が低いことから、原子力発電所は通常、ベースロード発電に使用されます。これは、建設の固定費を償却できる時間を最大化するためです。 [ 7 ]
原子力発電所の二酸化炭素排出量は、太陽光発電所や風力発電所などの再生可能エネルギーと同程度であり、[ 8 ] [ 9 ]天然ガスや石炭などの化石燃料よりはるかに少ない。原子力発電所は、最も安全な発電方法の一つであり、[ 10 ] 1テラワット時あたりの事故による死亡者数や大気汚染の点で、太陽光発電所や風力発電所と同程度である。[ 11 ]
原子炉の熱を利用して発電した最初の事例は、1951年12月21日、実験増殖炉Iで4つの電球を点灯させたことである。[ 12 ] [ 13 ]
1954年6月27日、電力網に電力を供給する世界初の原子力発電所であるオブニンスク原子力発電所が、ソビエト連邦のオブニンスクで操業を開始した。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 世界初の本格的な発電所である英国のカルダーホールは、1956年10月17日に開設され、プルトニウムの生産も目的としていた。[ 17 ]電力生産のみを目的とした世界初の本格的な発電所は、米国ペンシルベニア州のシッピングポート原子力発電所で、1957年12月18日に電力網に接続された。[ 18 ]
電気エネルギーへの変換は、従来の火力発電所と同様に間接的に行われます。原子炉内の核分裂によって原子炉冷却材が加熱されます。冷却材は、原子炉の種類に応じて、水、ガス、または液体金属の場合があります。原子炉冷却材は蒸気発生器に送られ、水を加熱して蒸気を生成します（加圧水型原子炉（PWR）の場合）。または、原子炉内で直接蒸気に変換される場合もあります（沸騰水型原子炉（BWR）の場合）。加圧された蒸気は通常、多段式蒸気タービンに供給されます。蒸気タービンで蒸気が膨張し、部分的に凝縮された後、残りの蒸気は凝縮器で凝縮されます。凝縮器は、川や冷却塔などの二次側に接続された熱交換器です。その後、水は蒸気発生器にポンプで戻され、サイクルが再び始まります。水蒸気サイクルはランキンサイクルに相当します。[ 19 ] [ 20 ]
原子炉は発電所の心臓部である。その中央部では、原子炉の炉心で核分裂による熱が発生する。この熱によって冷却材が加熱され、原子炉内を循環することで原子炉からエネルギーが除去される。核分裂による熱は蒸気を発生させるために使用され、その蒸気がタービンを回転させ、発電機を動かす。[ 20 ]
原子炉は通常、連鎖反応の燃料としてウランに依存しています。ウランは地球上に豊富に存在する非常に重い金属で、海水やほとんどの岩石に含まれています。天然に存在するウランは、2つの異なる同位体、すなわちウラン238（U-238）が99.3%、ウラン235（U-235）が約0.7%を占めています。U-238は146個の中性子を持ち、U-235は143個の中性子を持っています。[ 21 ]
同位体はそれぞれ異なる性質を持っています。例えば、ウラン235は核分裂性であり、容易に分裂して多くのエネルギーを放出するため、原子力エネルギーに最適です。一方、ウラン238は同じ元素であるにもかかわらず、そのような性質を持っていません。同位体は半減期も異なります。ウラン238はウラン235よりも半減期が長いため、崩壊するのに時間がかかります。これはまた、ウラン238はウラン235よりも放射能が低いことを意味します。[ 22 ]
核分裂は放射能を発生させるため、原子炉炉心は保護シールドで囲まれています。この格納容器は放射線を吸収し、放射性物質が環境に放出されるのを防ぎます。さらに、多くの原子炉には、内部の事故と外部からの衝撃の両方から原子炉を保護するために、コンクリート製のドームが備えられています。[ 23 ]
蒸気タービンの目的は、蒸気に含まれる熱を機械エネルギーに変換することです。蒸気タービンを備えたエンジンハウスは通常、原子炉建屋とは構造的に分離されています。運転中のタービンの破壊による破片が原子炉や重要な安全システムに向かって飛散しないように配置されています。[ 24 ]
加圧水型原子炉の場合、蒸気タービンは原子炉システムから分離されています。蒸気発生器の漏洩、ひいては放射性水の漏洩を早期に検知するため、蒸気発生器の出口蒸気を監視する放射能計が設置されています。一方、沸騰水型原子炉では放射性水が蒸気タービンを通過するため、タービンは原子力発電所の放射線管理区域内に設置されます。
発電機は、タービンから供給される機械動力を電気動力に変換します。高出力の低極交流同期発電機が使用されます。冷却システムは原子炉炉心から熱を除去し、発電所の別の場所に輸送します。そこで熱エネルギーは発電やその他の有用な作業に利用できます。通常、高温の冷却材はボイラーの熱源として使用され、そこから発生する加圧蒸気が1つまたは複数の蒸気タービン駆動発電機を駆動します。[ 25 ]
緊急事態が発生した場合、安全弁を使用して配管の破裂や原子炉の爆発を防ぐことができます。これらの弁は自動的に開き、圧力を原子炉の安全限界以下に維持するように設計されています。[ 26 ] BWRの場合、蒸気は抑制室に送られ、そこで凝縮します。[ 27 ]熱交換器のチャンバーは中間冷却回路に接続されています。
主凝縮器は、大型のクロスフロー式シェルアンドチューブ熱交換器で、タービン発電機の排気から湿った蒸気（飽和状態の液体の水と蒸気の混合物）を取り出し、それを過冷却された液体の水に凝縮して、凝縮水ポンプと給水ポンプによって原子炉に送り返すことができる。[ 28 ]
主復水器では、湿った蒸気タービンの排気が、反対側でより低温の水が流れる何千ものチューブに接触します。冷却水は通常、川や湖などの自然の水域から供給されます。 アリゾナ州フェニックスの西約97キロメートル（60マイル）の砂漠にあるパロベルデ原子力発電所は、冷却に自然の水域を使用しない唯一の原子力施設であり、代わりにフェニックス大都市圏の処理済み下水を使用しています。冷却水域から来る水は、より高温で水源にポンプで戻されるか、冷却塔に戻ってさらに使用するために冷却されるか、または水蒸気となって塔の上部から上昇します。[ 29 ]
蒸気発生器と原子炉内の水位は、給水システムによって制御されます。給水ポンプは、凝縮水システムから水を汲み上げ、圧力を高めて、加圧水型原子炉の場合は蒸気発生器へ、沸騰水型原子炉の場合は原子炉へ直接送り込む役割を担っています。
発電所への安定した電力供給は、安全な運転を確保するために不可欠です。ほとんどの原子力発電所では、冗長性を確保するために、少なくとも2つの異なる外部電源が必要です。これらは通常、十分な距離を保って配置され、複数の送電線から電力を供給できる複数の変圧器によって供給されます。さらに、一部の原子力発電所では、発電所が稼働している間、外部電源を必要とせずにタービン発電機が発電所の負荷に電力を供給できます。これは、発電機の出力が昇圧変圧器に到達する前に電力を取り出す発電所用変圧器によって実現されます。
原子力発電所は、世界中の約440基の原子炉から供給される電力の約10%を発電しています。原子力発電所は、低炭素電力の重要な供給源として認識されており、このカテゴリーの世界供給量の約4分の1を占めています。2020年現在、原子力発電は低炭素エネルギーの2番目に大きな供給源であり、全体の26%を占めています。[ 30 ]原子力発電施設は32の国または地域で稼働しており、[ 31 ]特にヨーロッパでは、地域送電網を通じてこれらの国々を超えてその影響が及んでいます。[ 32 ]
2022年、原子力発電所は2545テラワット時（TWh）の電力を発電し、2021年の2653TWhからわずかに減少した。13か国が電力の少なくとも4分の1を原子力源から発電している。特に、フランスは電力需要の約70%を原子力エネルギーに依存しており、ウクライナ、スロバキア、ベルギー、ハンガリーは電力の約半分を原子力から得ている。以前は電力の4分の1以上を原子力に依存していた日本は、同様のレベルの原子力エネルギー利用を再開すると予想されている。[ 30 ] [ 31 ]
過去 15 年間、米国では原子力発電所の運用パフォーマンスが大幅に向上し、利用率と効率が向上し、実際の建設なしに 19 基の新しい 1000 MWe 原子炉に相当する出力が追加されました。フランスでは、原子力発電所は 2022 年時点でも同国の総発電量の 60% 以上を生産しています。以前の目標は、2025 年までに原子力発電の割合を 50% 未満に削減することでしたが、この目標は 2019 年に 2035 年に延期され、最終的に 2023 年に破棄されました。ロシアは、さまざまな国でプロジェクトを展開し、世界で最も多くの原子力発電所を輸出し続けています。2023 年 7 月時点で、ロシアは外国ベンダーによって建設された 22 基の原子炉のうち 19 基を建設していました。[ 33 ]しかし、ロシアによるウクライナ侵攻のため、一部の輸出プロジェクトはキャンセルされました。[ 34 ]一方、中国は原子力エネルギー分野で進歩を続けており、2023年末までに25基の原子炉を建設中で、同時に建設中の原子炉数が世界で最も多い国となっている。[ 33 ] [ 35 ]
原子力発電所の廃止措置とは、原子力発電所を解体し、敷地を一般市民が放射線から保護される必要がない状態まで除染することです。他の発電所の解体との主な違いは、放射性物質が存在するため、除去して安全に廃棄物貯蔵施設に移送するには特別な予防措置が必要となる点です。
廃止措置には、多くの行政的および技術的な作業が含まれます。これには、放射能の除去と段階的な施設の解体作業が含まれます。施設が廃止措置されると、放射能事故や施設を訪れる人への危険はなくなります。施設が完全に廃止措置されると、規制当局の管理から解放され、施設の認可者は原子力安全に関する責任を負わなくなります。
一般的に、原子力発電所は当初、約30年の寿命を想定して設計されていました 。[ 36 ] [ 37 ]最新の発電所は、40年から60年の運転寿命を想定して設計されています。[ 38 ]センチュリオン原子炉は、100年の寿命を想定して設計されている将来のタイプの原子炉です。[ 39 ]
主要な制限摩耗要因の 1 つは、中性子照射による原子炉圧力容器の劣化であるが、 [ 37 ] 2018 年にロスアトムは、放射線損傷を軽減し、耐用年数を 15 ～ 30 年延長する原子炉圧力容器の熱アニーリング技術を開発したと発表した。[ 40 ]
原子力発電所は経済的な理由から主にベースロードとして利用されています。原子力発電所の運転燃料費は石炭火力発電所やガス火力発電所の運転燃料費よりも低くなっています。原子力発電所のコストの大部分は設備投資であるため、フル稼働よりも低い出力で運転してもコスト削減効果はほとんどありません。[ 41 ]
フランスでは原子力発電所が大規模に負荷追従モードで日常的に使用されているが、「これは原子力発電所にとって理想的な経済状況ではないと一般的に認められている」 [ 42 ] 。現在廃止されているドイツのビブリス原子力発電所のA号機は、定格出力の40%から100%の間で毎分15%ずつ出力を調整するように設計されていた[ 43 ] 。
ロシアは、目的の場所に輸送でき、廃炉を容易にするために時折移設または移動できる浮体式原子力発電所の実用化において主導的な役割を果たしてきた。2022年、米国エネルギー省は、洋上浮体式原子力発電に関する3年間の研究に資金を提供した。[ 44 ] 2022年10月、NuScale Powerとカナダの企業Prodigyは、北米の小型モジュール式原子炉をベースとした浮体式発電所を市場に投入するための共同プロジェクトを発表した。[ 45 ]
原子力発電所は一般的に設備投資費用は高いが、燃料の直接費用は低く、燃料の採掘、処理、使用、使用済み燃料の貯蔵にかかる費用は内部費用として計上されている。[ 46 ]したがって、他の発電方法との比較は、原子力発電所の建設期間と資金調達に関する仮定に大きく依存する。費用見積もりには、発電所の廃止措置と核廃棄物の貯蔵またはリサイクル費用も考慮されている。
原子力発電の経済性を分析する際には、将来の不確実性のリスクを誰が負うのかを考慮に入れなければならない。現在までに稼働している原子力発電所はすべて国営または規制対象の電力会社によって開発されており、建設費、運転性能、燃料価格、その他の要因に関連するリスクの多くは、供給者ではなく消費者が負担していた。[ 47 ]現在、多くの国が電力市場を自由化しており、これらのリスクや、資本コストが回収される前に安価な競合他社が出現するリスクは、消費者ではなく発電所の供給者と運営者が負担しており、新しい原子力発電所の経済性の評価が大きく異なっている。[ 48 ]安価なガスが入手可能で、その将来の供給が比較的安定している場合、これも原子力プロジェクトにとって大きな問題となる。[ 49 ]
現代の原子炉設計は、第一世代の原子炉以来、数多くの安全性の向上を遂げてきました。原子力発電所は、ウラン原子炉の燃料が十分に濃縮されていないため、核兵器のように爆発することはありません。 [ 50 ]また、核兵器は、核物質を臨界を超えるほど小さな体積に押し込むために精密爆薬を必要とします。ほとんどの原子炉は、炉心溶融を防ぐために継続的な温度制御を必要とします。炉心溶融は、事故や自然災害によって数回発生し、放射性物質を放出し、周辺地域を居住不可能にしています。発電所は、核物質の盗難や敵の軍用機やミサイルによる攻撃から守られなければなりません。[ 51 ]
これまでに発生した最も深刻な事故は、1979年のスリーマイル島原発事故、1986年のチェルノブイリ原発事故、そして2011年の福島第一原発事故であり、これらは第2世代原子炉の運転開始時期と重なる。
社会学教授のチャールズ・ペローは、社会の複雑で密接に結合した原子炉システムには、複数の予期せぬ故障が組み込まれていると述べている。このような事故は避けられず、設計で回避することはできない。[ 52 ] MITの学際的なチームは、2005年から2055年までの原子力発電の予想される成長を考慮すると、その期間に少なくとも4件の重大な原子力事故が発生すると推定している。[ 53 ] MITの研究は、1970年以降の安全性の向上を考慮に入れていない。[ 54 ] [ 55 ]
原子力発電は、原子力分野における第三者責任に関するパリ条約、ブリュッセル補足条約、および原子力損害に対する民事責任に関するウィーン条約に従って事故責任を制限または構造化する保険の枠組みの下で運営されています。[ 56 ] しかし、米国、ロシア、中国、日本を含む世界の原子力発電所の大部分を有する国は、国際的な原子力責任条約の締約国ではありません。
原子力発電に関する議論は、民生目的で核燃料から電力を生成するための核分裂炉の導入と使用について、1970年代と1980年代にピークに達し、一部の国では「技術論争の歴史上前例のない激しさ」に達した。[ 58 ]
支持者たちは、原子力発電は炭素排出量を削減する持続可能なエネルギー源であり、輸入燃料への依存を代替することでエネルギー安全保障を高めることができると主張している。 [ 59 ]支持者たちは、原子力発電は、主な実行可能な代替エネルギーである化石燃料とは対照的に、大気汚染をほとんど発生させないという考えを提唱している。また、支持者たちは、原子力発電はほとんどの西側諸国にとってエネルギー自給を達成するための唯一の実行可能な手段であると信じている。彼らは、廃棄物貯蔵のリスクは小さく、最新の原子炉で最新技術を使用することでさらに低減できること、そして西側諸国の運転安全記録は他の主要な種類の発電所と比較して優れていることを強調している。[ 60 ]
反対派は、原子力発電は人々と環境に多くの脅威をもたらし、コストが利益に見合わないと主張している。脅威には、ウランの採掘、処理、輸送による健康リスクと環境破壊、核兵器の拡散や破壊の危険性、放射性核廃棄物の問題などがある。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]多くの発電所からのもう一つの環境問題は、温水が水域に排出されることだ。温水は海洋の動植物の環境条件を変化させる。反対派はまた、原子炉自体が非常に複雑な機械であり、多くのことがうまくいかない可能性があり、実際にうまくいっていないこと、そして多くの深刻な原子力事故が発生していることも主張している。[ 64 ] [ 65 ]
反対派は、ウラン採掘から原子力発電所の廃炉まで、核燃料チェーンのエネルギー集約的な段階すべてを考慮すると、精製や長期貯蔵が原子力施設によって電力供給される可能性があるにもかかわらず、原子力発電は低炭素電力源ではないと主張している。 [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]ウラン鉱山を持たない国は、既存の原子力発電技術ではエネルギー自給を達成できない。実際の建設コストはしばしば見積もりを上回り、[ 69 ] [ 70 ]使用済み燃料管理コストを定義することは難しい。
2020年8月1日、UAEはアラブ地域で初めての原子力発電所を稼働させた。アブダビのアル・ダフラ地区にあるバラカ発電所の1号機は稼働初日から熱を発生させ始め、残りの3基は現在建設中である。しかし、原子力コンサルティンググループの代表であるポール・ドーフマン氏は、湾岸諸国による同発電所への投資は「不安定な湾岸地域をさらに不安定化させ、環境を破壊し、核拡散の可能性を高める」リスクがあると警告した。[ 71 ]
原子力発電所は運転中に温室効果ガスを排出しません。第2世代原子炉を使用する古い原子力発電所は、原子力発電所の全ライフサイクルを通じて平均約11g/kWhの二酸化炭素を排出しますが、これは風力発電による発電量とほぼ同じで、太陽光発電の約1/3 、天然ガスの約1/45 、石炭の約1/75に相当します。[ 72 ] HPR1000のような新しいモデルは、全運転期間を通じてさらに二酸化炭素の排出量が少なく、第2世代原子炉を使用する発電所のわずか1/8である1.31g/kWhです。[ 73 ]
しかし、原子力発電所には放射性廃棄物、電離放射線、廃熱など、他の環境影響もあります。大規模な原子力発電所は廃熱を自然の水域に放出し、水生生物に影響を与える可能性があります。[ 74 ]ウランやトリウムなどの核燃料の採掘は、採掘現場付近の環境に悪影響を与える可能性があります。[ 75 ]原子力発電所からの核廃棄物を深層に埋める現在の方法は一般的に安全と考えられていますが、核廃棄物の輸送中の事故により、核汚染物質が漏洩する可能性があります。[ 76 ]
チェルノブイリや福島のような大規模な原子力事故では、大量の放射性物質が自然界に放出され、生物や人々に害を及ぼします。[ 77 ] [ 78 ]対策としては、規制や運用に関する訓練の強化、事故現場での放射性汚染物質の深層埋設やその他の処理による地表生物への放射能の低減、恒久的な立ち入り禁止区域の設定などが挙げられます。[ 79 ]
2024年3月現在、世界中で約60基の原子力発電所用原子炉が建設中で、総容量は64GWに達しており[ 80 ] 、さらに110基が計画段階にある。建設中または計画中のこれらの原子炉の大部分はアジアに位置している。近年、新しい原子炉の稼働開始は、古い原子炉の廃止によってほぼ相殺されている。過去20年間で、100基の原子炉が稼働を開始した一方で、107基が廃止された[ 81 ] 。
国際連合が、6つの第4世代原子炉技術の研究開発を進めている。2000年に米国エネルギー省が発案し、2001年に正式に設立された第4世代国際フォーラム（GIF）は、将来のエネルギー需要にとって原子力エネルギーが重要または不可欠である13か国による協力プラットフォームである。アルゼンチン、ブラジル、カナダ、フランス、日本、韓国、南アフリカ、英国、米国などの創設メンバーに加え、スイス、中国、ロシア、オーストラリア、欧州連合（ユーラトム経由）などの新規メンバーを含むこの組織は、原子炉の建設ではなく、研究開発の知見の共有に重点を置き、これらの次世代原子力技術の多国間規制基準を設定することを目指している。[ 33 ] [ 82 ]
2002年、GIFは2年間かけて約100のコンセプトを検討し、原子力エネルギーの未来を象徴する6つの原子炉技術を選定した。これらの6つの設計のうち、3つは高速中性子炉であり、いずれも現在のモデルよりも高温で運転される。これらの原子炉は、より持続可能で、経済的で、安全で、信頼性が高く、核拡散にも抵抗するように設計されている。4つの設計は設計面で徹底的にテストされており、2030年以前のさらなる研究と潜在的な商業運転の基礎となっている。[ 33 ] [ 82 ]
世界で初めて、そして唯一、第4世代原子炉を商業利用した原子力発電所は、石島湾原子力発電所である。この原子炉は高温ガス冷却炉であり、2014年9月21日に建設プロセスを開始し[ 83 ] 、 2021年12月20日に発電を開始し[ 84 ]、2023年12月12日に商業運転を開始した[ 85 ]。
原子力発電所のもう一つの発展方向は核融合です。核融合とプラズマ物理学の研究は大きな進歩を遂げており、50か国以上がこの分野に貢献し、最近では核融合実験で史上初の科学的なエネルギー利得を達成しました。ステラレータやトカマクのような磁石ベースの装置、レーザー、リニアデバイス、先進燃料アプローチなど、さまざまな設計と方法論が検討されています。核融合エネルギーの実用化の時期は、国際協力、産業開発のペース、そしてこの将来のエネルギー源を支えるために必要な原子力インフラの確立にかかっています。[ 86 ]
国際最大の核融合施設であるITERの組み立ては2020年にフランスで始まり、核融合エネルギーの実現可能性を実証する上で重要な一歩となった。実験は今世紀後半に開始され、本格的な実験は2036年に予定されており、ITERはDEMO発電所への道を開くことを目指している。専門家は、DEMO発電所は2050年までに稼働する可能性があると考えている。同時に、民間企業は数十年にわたる公的資金による研究を活用して核融合技術を進歩させており、商業的な核融合発電は21世紀半ばよりも前に実現する可能性があることを示唆している。[ 86 ] ITERプロジェクトに参加している多くの国も、独自の核融合炉と発電所のモデルを開発している。中国では、研究者たちが2050年までに商業的に実用的な核融合発電所を建設することを目的とした中国核融合工学試験炉（CFETR）と呼ばれる新しい原子炉を開発している。 [ 87 ]
今日新たに建設される陸上風力タービンは、発電する 1 キロワット時 (kWh) あたり約 9 グラムの CO2 を排出します... 海上の新しい洋上発電所は、1 kWh あたり 7 グラムの CO2 を排出します... 太陽光発電所は、発電する 1 kWh あたり 33 グラムの CO2 を排出します... 天然ガスは 1 kWh あたり 442 グラムの CO2 を排出し、石炭火力発電は 864 グラム、褐炭火力発電は 1034 グラムの CO2 を排出します... 原子力エネルギーは、ウラン採掘と原子炉の建設および運転による排出量を考慮すると、1 kWh あたり約 117 グラムの CO2 を占めます。