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原子力発電は、原子核反応を利用して電気を生産するものです。原子力発電は、原子核分裂、原子核崩壊、および核融合反応から得られます。現在、原子力発電による電気の大部分は、原子力発電所でのウランとプルトニウムの原子核分裂によって生産されています。原子核崩壊プロセスは、ボイジャー2号などの一部の宇宙探査機の放射性同位体熱電発電機などのニッチな用途に使用されています。核融合発電による電気の生成は、依然として国際的な研究の焦点となっています。
ほとんどの原子力発電所は、濃縮ウランを用いた熱電対をワンススルー燃料サイクルで使用している。中性子を吸収する原子の割合が大きくなり、連鎖反応が維持できなくなると（通常は 3 年）、燃料が取り出される。その後、敷地内の使用済み燃料プールで数年間冷却され、その後長期貯蔵庫に移される。使用済み燃料は、容量は少ないものの、高レベル放射性廃棄物である。放射能は飛躍的に減少するため、数十万年にわたって生物圏から隔離する必要があるが、新しい技術（高速炉など）では、これを大幅に削減できる可能性がある。使用済み燃料の大部分は依然として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）では、核分裂性元素と核分裂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るが、この方法は採掘し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る。すべての原子炉は使用済み燃料に含まれるプルトニウム239を生成しますが、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。
最初の原子力発電所は1950年代に建設されました。世界の原子力発電所の設備容量は 1970年代後半に100GWに成長し、その後1980年代に拡大し、 1990年までに300GWに達しました。1979年の米国スリーマイル島原発事故と1986年のソ連チェルノブイリ原発事故により、原子力発電所に対する規制が強化され、世論の反対が強まりました。これらの要因と建設費の高さにより、世界の設備容量は2022年までに390GWにしか増加しませんでした。これらの発電所は2019年に2,586テラワット時（TWh）の電力を供給しました。これは世界の発電量の約10％に相当し、水力発電に次ぐ2番目に大きな低炭素電源でした。 2023年8月現在、世界には410基の民生用核分裂炉があり、総容量は369GWです。[1]建設中のものは57基、計画中のものは102基で、合計容量はそれぞれ59GWと96GWです。米国は最大の原子炉群を保有しており、平均設備利用率は92%で、年間約800TWhの低炭素電力を生産しています。世界の平均設備利用率は89%です。[1]アジアで建設中の新しい原子炉のほとんどは第3世代原子炉です。 [update]
原子力発電の推進派は、原子力は二酸化炭素排出量を 削減する安全で持続可能なエネルギー源であると主張する。これは、原子力発電は他のエネルギー源と比較して、エネルギー生成単位あたりの死亡者数が最も低いためである。石炭、石油、天然ガス、水力発電はそれぞれ、大気汚染と事故によりエネルギー単位あたりの死亡者数が多い。原子力発電所は温室効果ガスを排出せず、一般的な「再生可能エネルギー」よりもライフサイクル炭素排出量が少ない。原子力発電に伴う放射線の危険性は反核運動の主な動機であり、彼らは、2011年に日本で発生した福島原発事故のような事故の可能性を挙げて、原子力発電は人々と環境に多くの脅威をもたらし、代替の持続可能なエネルギー源と比較すると導入するには費用がかかりすぎる/時間がかかりすぎると主張している。
歴史
起源
核分裂の発見は、放射能の科学と原子の構成要素を記述する新しい核物理学の精緻化に関する40年以上の研究の末、1938年に起こりました。核分裂プロセスの発見後すぐに、核分裂核がさらなる核分裂を誘発し、自己持続的な連鎖反応を引き起こすことが認識されました。[3] 1939年にこれが実験的に確認されると、多くの国の科学者は、第二次世界大戦の直前に、核兵器開発のために政府に核分裂研究の支援を請願しました。[4]
米国では、これらの研究努力により、シカゴ大学スタッグフィールドスタジアムの地下に最初の人工原子炉であるシカゴ・パイル1が建設され、 1942年12月2日に臨界に達した。原子炉の開発は、第二次世界大戦中に連合国が原子爆弾を製造するために行ったマンハッタン計画の一環であった。この計画により、最初の核兵器に使用するための兵器級プルトニウムを製造するための、より大型の専用生産原子炉が建造された。米国は1945年7月に最初の核兵器の実験であるトリニティ実験を行い、その1か月後に広島と長崎への原爆投下が行われた。
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最初の核兵器は軍事目的で開発されたが、1940年代と1950年代は、安価で無限のエネルギーを供給する原子力発電の可能性に対する強い楽観主義が特徴だった。[6]原子炉による最初の電力生成は1951年12月20日、アイダホ州アルコ近郊のEBR-I実験ステーションで行われ、当初は約100kWの電力を生産した。 [ 7] [8] 1953年、ドワイト・アイゼンハワー米大統領は国連で「平和のための原子力」演説を行い、原子力の「平和的」利用を早急に開発する必要性を強調した。これに続いて1954年の原子力法が制定され、米国の原子炉技術の迅速な機密解除と民間部門による開発の促進が認められた。
最初の発電
実用的な原子力発電を最初に開発した組織はアメリカ海軍で、潜水艦や航空母艦の推進用にS1W原子炉を開発しました。最初の原子力潜水艦であるUSS ノーチラスは1954年1月に進水しました。[9] [10] S1W原子炉は加圧水型原子炉でした。この設計が選ばれたのは、他の設計に比べて単純でコンパクトで操作が容易であり、潜水艦での使用に適していたためです。この決定により、PWRは発電にも選択される原子炉となり、今後数年間にわたって民間の電力市場に永続的な影響を与えました。[11]
1954年6月27日、ソ連のオブニンスク原子力発電所は、約5メガワットの電力を生産し、電力網に電力を供給する世界初の原子力発電所となった。 [12]世界初の商用原子力発電所であるイギリスのウィンズケールにあるカルダーホールは、1956年8月27日に国の電力網に接続された。他の多くの第1世代原子炉と同様に、この発電所は電力とプルトニウム239の生産という2つの目的を持っていた。後者は、イギリスの初期の核兵器計画のために使われた。[13]
拡大と最初の反対
世界の原子力発電所の総設備容量は、1960年の1ギガワット（GW）未満から 1970年代後半には100GWへと、当初は比較的急速に増加しました。[9] 1970年代から1980年代にかけて、経済コストの上昇（主に規制の変更と圧力団体の訴訟による建設期間の延長に関連）[14]と化石燃料価格の下落により、当時建設中だった原子力発電所の魅力は低下しました。1980年代の米国と1990年代の欧州では、電力網の成長が横ばいで電力の自由化が進んだため、大規模な新しいベースロード電源 の追加も経済的に魅力がありませんでした。
1973年の石油危機は、フランスや日本など、発電を石油に大きく依存していた国々が原子力発電に投資する上で大きな影響を及ぼした。[15]フランスはその後15年間で25基の原子力発電所を建設し、[16] [17] 2019年時点で、フランスの電力の71%は原子力発電で発電されており、これは世界で最も高い割合となっている。[18]
1960年代初頭、米国では原子力に対する反対運動が一部で起こりました。[19] 1960年代後半には、科学界の一部のメンバーが鋭い懸念を表明し始めました。[20]これらの反核の懸念は、原子力事故、核拡散、核テロ、放射性廃棄物処理に関連していました。[21] 1970年代初頭、ドイツのヴィールで計画されていた原子力発電所をめぐって大規模な抗議活動がありました。この計画は1975年に中止されました。ヴィールでの反核の成功は、ヨーロッパや北米の他の地域でも原子力反対運動に影響を与えました。[22] [23]
1970年代半ばまでに、反核運動はより広い支持と影響力を獲得し、原子力は大きな国民の抗議の対象となり始めた。[24] [25]一部の国では、原子力紛争は「技術論争の歴史において前例のないほどの激しさに達した」。[26] [27]原子力に対する国民の敵意が高まったため、ライセンス取得プロセスが長くなり、規制が増え、安全装置の要件が高まり、新規建設のコストが大幅に上昇した。[28] [29]米国では、120を超える軽水炉の提案が最終的に取り消され[30]、新規原子炉の建設は停止した。[31] 1979年のスリーマイル島の事故では死者は出なかったが、多くの国で新規発電所の建設数が減少する大きな要因となった。[20]
チェルノブイリとルネッサンス
1980年代には、平均して17日ごとに1基の新しい原子炉が稼働しました。[32] 10年後には、世界の原子力発電設備容量は300GWに達しました 。1980年代後半以降、新規設備容量の増加は大幅に鈍化し、2005年には原子力発電設備容量は366GWに達しました 。
1986年にソ連で発生したRBMK原子炉のチェルノブイリ原発事故は、原子力発電の発展を変え、国際的な安全基準と規制基準を満たすことにより重点を置くようになった。[33]この事故は、死傷者数56人という史上最悪の原子力事故であり、清掃と費用は180億ルーブル（ 2019年時点でインフレ調整後680億米ドル）と推定されており、経済的にも最悪の原子力事故とされている。 [34] [35]原子力施設の運転員の安全意識と専門能力開発を促進する国際組織である世界原子力事業者協会（WANO）は、1986年のチェルノブイリ事故の直接的な結果として設立された。チェルノブイリ原発事故は、その後数年間に新規発電所建設数が減少する大きな要因となった。[20]これらの出来事の影響を受けて、イタリアは1987年の国民投票で原子力発電に反対票を投じ、[36] 1990年に原子力発電を完全に廃止した最初の国となった。
2000年代初頭、二酸化炭素排出への懸念から、原子力エネルギー業界では原子力ルネッサンス、つまり新規原子炉の建設増加が期待されていました。[37]この時期に、EPRなどの新しい第3世代原子炉の建設が始まりました。
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1980 年からの電力源別の純発電量と成長率。1980 年から 2010 年の間に生成されたエネルギーでは、核分裂による貢献が最も急速に成長しました。 -
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新しい原子炉の建設ペースは 1980 年代後半に実質的に停止しました。この期間中に生産される電力が継続的に増加したのは、既存の原子炉の稼働率が向上したことが主な要因でした。 -
主要生産国における電力発電の動向 (Our World in Data)
福島原発事故
1997年以降の原子力発電量（TWh）と稼働中の原子炉数[38]
原子力ルネッサンスの見通しは、別の原子力事故によって遅れた。[37] [39] 2011年の福島第一原子力発電所事故は、記録上最大級の地震の一つである東北地方太平洋沖地震と津波によって引き起こされた。福島第一原子力発電所は、電力供給不足による緊急冷却システムの故障により、3回の炉心溶融を起こした。これは、チェルノブイリ原発事故以来最悪の原子力事故となった。
この事故は、多くの国で原子力の安全性と原子力政策の見直しを促した。[40]ドイツは2022年までにすべての原子炉を閉鎖する計画を承認し、他の多くの国も原子力発電計画を見直した。[41] [42] [43] [44]この災害の後、日本はすべての原子力発電所を閉鎖し、そのうちのいくつかは永久的に閉鎖され、2015年に安全性の確認と改訂された運転基準と国民の承認に基づいて、残りの40基の原子炉を段階的に再稼働するプロセスを開始した。[45]
2022年、日本政府は岸田文雄首相のリーダーシップの下、 2011年の災害以降さらに10基の原子力発電所を再開すると宣言した。[46]岸田首相はまた、化石燃料市場の価格変動から日本の消費者を守り、日本の温室効果ガス排出量を削減するために、より安全な新しい原子力発電所の研究と建設を推進している。[47]岸田首相は、日本が世界中の発展途上国への原子力エネルギーと技術の重要な輸出国になることを目指している。[47]
現在の見通し
2015年までに、IAEAの原子力エネルギーの見通しはより有望になり、気候変動を緩和するための低炭素発電の重要性を認識した。[48] 2015年の時点で[update]、世界の傾向は、新規の原子力発電所の稼働開始と、廃止される古い発電所の数とのバランスをとっていた。[49] 2016年、米国エネルギー情報局は、「ベースケース」として、世界の原子力発電が2012年の2,344テラワット時（TWh）から 2040年には4,500TWhに増加すると予測した。予測される増加のほとんどはアジアで発生すると予想された。[50] 2018年の時点で、50基が建設中を含む150基以上の原子炉が計画されていた。[51] 2019年1月、中国は45基の原子炉が稼働中、13基が建設中であり、さらに43基の建設を計画しており、これが実現すれば世界最大の原子力発電国となる。[52] 2021年現在、17基の原子炉が建設中であると報告されている。中国は当初の計画よりも大幅に少ない原子炉を建設した。原子力発電による電力の割合は2019年に5％であった[53]。また、リスクに加えて、エネルギー生成の経済性の変化により、新しい原子力発電所は「より安価で信頼性の高い再生可能エネルギーに傾いている世界ではもはや意味をなさない」可能性があると、観測筋は警告している。[54] [55]
2021年10月、日本の内閣は、資源エネルギー庁と諮問委員会が作成した2030年までの新たな発電計画を公聴会を経て承認した。2030年の原子力目標には、さらに10基の原子炉の再稼働が必要である。岸田文雄首相は2022年7月、国は先進的な原子炉の建設と60年を超える運転許可の延長を検討すべきであると発表した。[56]
2022年時点で、世界の石油とガスの価格が上昇する中、ドイツはエネルギー転換を補うために必要なロシア産天然ガスの喪失に対処するために石炭火力発電所を再稼働させている一方、[57]他の多くの国は、老朽化した原子力発電能力を新たな投資で再活性化させる野心的な計画を発表している。フランスのエマニュエル・マクロン大統領は、今後数十年で6基の新しい原子炉を建設する意向を発表し、 2050年までに炭素中立を目指すフランスの取り組みの中心に原子力を据えた。[58]一方、米国では、エネルギー省が民間企業のテラパワーとX-エックスエナジーと協力して、2027年までに2つの異なる先進的原子炉を建設する計画であり、長期的なグリーンエネルギーとエネルギー安全保障の目標の中で原子力の導入をさらに計画している。[59]
発電所
原子力発電所は、核分裂から放出される熱エネルギーを利用して発電する火力発電所です。核分裂原子力発電所は一般的に、熱を発生する核反応が起こる原子炉、原子炉内の熱を取り除く冷却システム、熱を機械エネルギーに変換する蒸気タービン、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機で構成されています。[61]
中性子がウラン235またはプルトニウム原子の原子核に当たると、原子核は2つの小さな原子核に分裂します。これが核分裂反応です。この反応によりエネルギーと中性子が放出されます。放出された中性子は他のウランまたはプルトニウム原子核に当たると、新たな核分裂反応を引き起こし、より多くのエネルギーと中性子が放出されます。これを連鎖反応と呼びます。ほとんどの商用原子炉では、反応速度は過剰な中性子を吸収する制御棒によって抑制されています。原子炉の制御性は、核分裂によって生じた中性子のごく一部が遅延されるという事実に依存しています。核分裂と中性子の放出の間の時間遅延により、反応速度の変化が遅くなり、制御棒を動かして反応速度を調整する時間が得られます。[61] [62]
燃料サイクル
核燃料のライフサイクルはウランの採掘から始まります。ウラン鉱石はその後、輸送を容易にするため、イエローケーキ（U 3 O 8 ）と呼ばれるコンパクトな鉱石濃縮物の形に変換されます。 [63]核分裂炉には通常、ウランの核分裂性同位体であるウラン235が必要です。天然ウラン中のウラン235の濃度は低い（約0.7％）。一部の原子炉は、中性子経済性に応じて、この天然ウランを燃料として使用できます。これらの原子炉は通常、グラファイトまたは重水減速材を備えています。最も一般的なタイプの原子炉である軽水炉の場合、この濃度は低すぎるため、ウラン濃縮と呼ばれるプロセスによって高める必要があります。[63]民生用の軽水炉では、ウランは通常、3.5～5％のウラン235に濃縮されます。[64]その後、ウランは一般的にセラミックである酸化ウラン（UO 2）に変換され、圧縮焼結されて燃料ペレットとなり、その積み重ねによって特定の原子炉に適した組成と形状の燃料棒が形成される。[64]
原子炉内でしばらくすると、燃料は核分裂性物質が減少し、核分裂生成物が増加し、使用不可能になります。[64]この時点で、使用済み燃料は使用済み燃料プールに移され、そこで熱を冷却し、電離放射線を遮蔽します。数か月または数年後、使用済み燃料は放射能と熱が十分に冷却され、乾式貯蔵容器に移されるか、再処理されます。[64]
ウラン資源
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ウランは地殻にかなりありふれた元素で、スズやゲルマニウムとほぼ同じくらいありふれていて、銀の約40倍も一般的です。[65]ウランはほとんどの岩石、土、海水に微量に存在しますが、一般的には比較的高濃度で存在する場所でのみ経済的に抽出されます。ウランの採掘には、地下採掘、露天掘り、または原位置浸出採掘があります。最も生産量の多い鉱山の多くは、カナダのマッカーサーリバーウラン鉱山などの遠隔地の地下採掘であり、この鉱山だけで世界の生産量の13%を占めています。2011年の時点で、1kgあたり130米ドルという恣意的な価格上限で経済的に回収可能な世界の既知のウラン資源は、70年から100年分ありました。[66] [67] [68] 2007年にOECDは、当時の利用率を前提として、従来の資源とリン鉱石全体で経済的に回収可能なウランは670年分あると推定した。 [69]
軽水炉は、主に非常に希少なウラン235同位体のみを使用するため、核燃料の使用効率が比較的低い。[70] 核再処理によりこの廃棄物を再利用することができ、新しい原子炉は古いものよりも利用可能な資源をより効率的に使用することもできる。[70]ウランとアクチニド（現在、核廃棄物の中で最も危険な物質を構成している）をすべて燃やす純粋な高速炉燃料サイクルでは、通常資源とリン鉱石の合計で16万年分のウランが1kgあたり60～100米ドルで存在すると推定される。[71]しかし、再処理は高価で、危険を伴う可能性があり、核兵器の製造に使用される可能性がある。[72] [73] [74] [75] [76]ある分析によると、ウラン価格は2035年から2100年の間に2桁上昇し、今世紀末近くには不足する可能性がある。[77] MITとWHOIの研究者による2017年の研究では、「現在の消費率では、地上のウランの全世界の通常埋蔵量（約760万トン）は、1世紀強で枯渇する可能性がある」ことがわかった。[78]ウラン235の供給が限られているため、現在の核技術では大幅な拡大が妨げられる可能性がある。[79]このような資源への依存を減らすためのさまざまな方法が模索されているが、[80] [81] [82]新しい核技術は、気候変動の緩和目的や再生可能エネルギーの代替品との競争に間に合わないと考えられており、さらに高価で、費用のかかる研究開発が必要である。[79] [83] [84]ある研究では、特定された資源が、拡張された核施設に途切れることなく燃料を供給できるほど迅速に開発されるかどうかは不確実であることが判明し[85]、さまざまな形態の採掘は、生態学的障壁、コスト、および土地要件によって困難に直面する可能性がある。[86] [87]研究者らはまた、原子力エネルギーがかなりの輸入依存度にあると報告している。[88] [89] [90] [91]
非従来型のウラン資源も存在する。ウランは海水中に1リットルあたり約3マイクログラムの濃度で自然に存在し、[92] [93] [94]、常時44億トンのウランが海水中に存在すると考えられている。[95] 2014年には、このプロセスが大規模に実施されれば、海水から核燃料を生産することは経済的に競争力があるだろうと示唆された。[96]化石燃料と同様に、地質学的時間スケールでは、海水から工業規模で抽出されたウランは、河川による岩石の浸食と海底の表面積から溶解したウランの自然プロセスの両方によって補充され、どちらも海水濃度の溶解度平衡を安定したレベルに維持する。 [95] 一部の評論家は、これが原子力発電を再生可能エネルギーと見なす根拠を強化すると主張している。 [ 97 ]
無駄
原子力発電所や施設の通常の運転では、放射性廃棄物、つまり核廃棄物が発生します。このタイプの廃棄物は、発電所の廃止措置の際にも発生します。核廃棄物には、低レベル廃棄物と高レベル廃棄物の2つの大きなカテゴリがあります。[99]前者は放射能が低く、衣類などの汚染されたアイテムが含まれますが、脅威は限定的です。高レベル廃棄物は主に原子炉の使用済み燃料であり、放射能が非常に高く、冷却してから安全に処分または再処理する必要があります。[99]
高レベル廃棄物
原子力発電所から出る最も重要な廃棄物は、高レベル廃棄物とみなされる使用済み核燃料である。軽水炉（LWR）の場合、使用済み燃料は通常、95％のウラン、4％の核分裂生成物、約1％の超ウランアクチノイド（主にプルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム）で構成される。[101]核分裂生成物は短期放射能の大部分を占め、プルトニウムと他の超ウラン元素は長期放射能の大部分を占める。[102]
高レベル廃棄物（HLW）は、放射線被ばくを制限するために十分な遮蔽を施して生物圏から隔離して保管する必要がある。原子炉から取り出された後、使用済み燃料束は、冷却と放射線遮蔽を行う使用済み燃料プールに6～10年間保管される。その後、燃料は十分に冷却され、乾式貯蔵容器に安全に移送できる。[103]放射能は時間の経過とともに指数関数的に減少し、100年後には99.5％減少する。[104]より放射能が強い短寿命核分裂生成物（SLFP）は約300年で安定した元素に崩壊し、約10万年後には使用済み燃料の放射能は天然ウラン鉱石よりも低くなる。[98] [105]
LLFP廃棄物を生物圏から隔離するために一般的に提案されている方法には、分離と変換、[98] シンロック処理、または深地層貯蔵などがある。[106] [107] [108] [109]
現在、世界の原子炉の大部分を占める熱中性子炉は、原子炉の運転中に生成される原子炉級プルトニウムを燃やすことができない。このため、核燃料の寿命は数年に限られる。米国など一部の国では、使用済み燃料はそのまま核廃棄物として分類される。[110]フランスなど他の国では、使用済み燃料は大部分が再処理され、混合酸化物燃料またはMOXとして知られる部分的にリサイクルされた燃料が生成される。再処理されない使用済み燃料の場合、最も懸念される同位体は中寿命の超ウラン元素であり、その筆頭は原子炉級プルトニウム（半減期24,000年）である。[111]一体型高速炉や溶融塩炉など、提案されている原子炉設計の中には、軽水炉の使用済み燃料に含まれるプルトニウムやその他のアクチニドを、その高速核分裂スペクトルのおかげで燃料として使用できるものがある。これは、深地層処分よりも潜在的に魅力的な代替案となる。[112] [113] [114]
トリウム燃料サイクルでは同様の核分裂生成物が発生しますが、原子炉内の中性子捕獲イベントから生成される超ウラン元素の割合ははるかに少なくなります。使用済みトリウム燃料は、使用済みウラン燃料よりも取り扱いが難しいものの、核拡散リスクはいくらか低い可能性があります。[115]
低レベル廃棄物
原子力産業はまた、衣類、手工具、浄水器樹脂、（廃止措置時には）原子炉自体の材料などの汚染された物品の形で、放射能の低い低レベル廃棄物を大量に生成します。低レベル廃棄物は、放射線レベルが通常の廃棄物として処分できるほど低くなるまで敷地内に保管するか、低レベル廃棄物処分場に送ることができます。[116]
他のタイプと比較した廃棄物
原子力発電を行っている国では、放射性廃棄物は産業廃棄物全体の1％未満を占め、その多くは長期間にわたって有害なままである。[70]全体的に、原子力発電は化石燃料ベースの発電所よりも廃棄物の量が非常に少ない。[117]特に石炭火力発電所は、石炭に自然に存在する放射性物質が濃縮された結果、有毒で放射能の弱い灰を大量に生成する。[118]オークリッジ国立研究所の2008年の報告書は、石炭火力発電は原子力発電よりも多くの放射能を環境に放出し、石炭火力発電所からの放射線による人口実効線量当量は原子力発電所の100倍であると結論付けている。[119]重量で見ると石炭灰は使用済み核燃料よりも放射能がはるかに少ないが、生成されるエネルギー単位あたりの量ははるかに多い。また、石炭灰はフライアッシュとして環境に直接放出されるが、原子力発電所は放射性物質から環境を保護するために遮蔽物を使用する。[120]
核廃棄物の量は、生産されるエネルギーに比べると少ない。例えば、ヤンキー・ロウ原子力発電所は、稼働中に440億キロワット時の電力を生産したが、その使用済み燃料の在庫はすべて16個のキャスクに収められている。 [121]西洋の生活水準の人間の生涯分のエネルギー（約3GWh ）を生産するには、ソーダ缶1本分の低濃縮ウランが必要と推定されており、その結果、同量の使用済み燃料が発生する。[122] [123] [124]
廃棄物処理
使用済み燃料プールでの暫定貯蔵の後、典型的な原子力発電所の使用済み燃料棒集合体は、多くの場合、敷地内の乾式貯蔵容器に保管されます。[125]現在、廃棄物は主に個々の原子炉敷地内に保管されており、放射性物質が蓄積し続けている場所は世界中に430か所以上あります。
核廃棄物の処分は、原子力発電所のライフサイクルの中で最も政治的に分裂を招く側面であると考えられている。[126]ガボンのオクロにある20億年前の天然核分裂炉で核廃棄物が動いていないことは、「今日の重要な情報源」として引用されている。[127] [128]専門家は、適切に管理され、警備され、監視されている集中型の地下貯蔵庫は、大きな改善となるだろうと示唆している。[126] 「核廃棄物を地中深くの貯蔵庫に保管することの妥当性に関する国際的合意」がある。[129]新しい技術の出現により、地質学的に不活性な地域への水平掘削孔処分を含む他の方法が提案されている。[130] [131]
商業規模の高レベル廃棄物地下処分場は現在稼働していない。[129] [132] [133]しかし、フィンランドではオルキルオト原子力発電所のオンカロ使用済み核燃料貯蔵施設が2015年時点で建設中であった。[134]
再処理
熱中性子炉のほとんどは、主に新鮮なウランの価格が低いため、ワンススルー核燃料サイクルで稼働しています。しかし、多くの原子炉は、使用済み核燃料に残っているリサイクルされた核分裂性物質も燃料として使用されています。リサイクルされる最も一般的な核分裂性物質は、使用済み燃料から抽出された原子炉グレードプルトニウム（RGPu）です。これはウラン酸化物と混合され、混合酸化物またはMOX燃料に加工されます。熱軽水炉は依然として世界中で最も一般的な原子炉であるため、このタイプのリサイクルが最も一般的です。これは、核燃料サイクルの持続可能性を高め、使用済み燃料の盗難の可能性を減らし、高レベル核廃棄物の量を減らすと考えられています。[135]使用済みMOX燃料は、一般的に熱中性子炉で使用するためにリサイクルすることはできません。この問題は高速中性子炉には影響しないため、元のウランのエネルギーポテンシャルを最大限に引き出すために高速中性子炉が好まれます。[136] [137]
軽水炉の使用済み燃料の主成分は、わずかに濃縮されたウランである。これは再処理ウラン（RepU）にリサイクルすることができ、高速炉で使用したり、CANDU炉の燃料として直接使用したり、軽水炉で再濃縮して別のサイクルに使用したりすることができる。再処理ウランの再濃縮はフランスとロシアで一般的である。[138]再処理ウランは核拡散の可能性の点でもより安全である。[139] [140] [141]
再処理は、使用済み核燃料中のウランとプルトニウム燃料の最大95％を回収し、残りの廃棄物内の長期放射能を減らす可能性があります。しかし、再処理は、核拡散の可能性があることと、核テロに対する脆弱性が高まるというさまざまな認識のために、政治的に議論を呼んでいます。[136] [142]再処理はまた、ワンススルー燃料サイクルと比較して燃料コストの増加につながります。[136] [142]再処理により高レベル廃棄物の量は減りますが、原子炉の外の最初の数世紀の残留熱発生と放射能の主な原因である核分裂生成物は減りません。したがって、再処理された廃棄物は、最初の数百年間はほぼ同じ処理が必要です。
原子力発電所から出た民生用燃料の再処理は現在、フランス、イギリス、ロシア、日本、インドで行われている。米国では、現在、使用済み核燃料の再処理は行われていない。[138]フランスのラ・アーグ再処理施設は1976年から商業的に稼働しており、2010年時点で世界の再処理量の半分を担っている。 [143]この施設では、数か国の使用済み燃料からMOX燃料を生産している。2015年時点で、32,000トン以上の使用済み燃料が再処理されており、その大部分はフランス、17%はドイツ、9%は日本からのものである。[144]
育種
増殖とは、非核分裂性物質を核燃料として使用できる核分裂性物質に変換するプロセスです。このプロセスに使用できる非核分裂性物質は、増殖物質と呼ばれ、現在の核廃棄物の大部分を占めています。この増殖プロセスは、増殖炉で自然に発生します。ウラン235（天然ウランの0.7％）を使用する軽水熱中性子炉とは対照的に、高速中性子増殖炉はウラン238（天然ウランの99.3％）またはトリウムを使用します。多くの燃料サイクルと増殖炉の組み合わせが、持続可能または再生可能なエネルギー源であると考えられています。[145] [146] 2006年には、海水抽出により、増殖炉で使用できるウラン資源は50億年分に相当すると推定されました。[147]
増殖炉技術はいくつかの原子炉で使用されているが、2006年の時点で、燃料を安全に再処理するための高コストのため、経済的に正当化されるにはウラン価格が1kgあたり200ドル以上必要である。[148]しかし、増殖炉は、現在の核廃棄物の在庫にあるアクチニド（最も活性で危険な成分）をすべて燃やす可能性があり、同時に電力を生産し、増殖プロセスによってより多くの原子炉用の燃料を追加生産できることから開発されている。[149] [150] 2017年現在、商業電力を生産している増殖炉は2つあり、BN-600原子炉とBN -800原子炉であり、どちらもロシアにある。[151]フランスのフェニックス増殖炉は、36年間の運転を経て2009年に停止した。[151]中国とインドの両国が増殖炉を建設中である。インドの500MWe高速増殖炉プロトタイプは現在試運転段階にあり、[152]さらに建設する計画がある。[153]
高速中性子増殖炉のもう一つの代替案は、トリウムから増殖したウラン233をトリウム燃料サイクルの核分裂燃料として使用する熱中性子増殖炉である。[154]トリウムは地殻内でウランの約3.5倍一般的であり、地理的特徴が異なっている。[154] インドの3段階原子力発電計画では、トリウムの埋蔵量は豊富だがウランの埋蔵量が少ないため、第3段階でトリウム燃料サイクルを使用することになっている。[154]
廃止
原子力施設の廃止措置とは、原子力施設を放射線防護措置が不要になるまで解体し、[155]施設とその部品を他の用途に使用できる安全なレベルに戻すプロセスです。[156]放射性物質が存在するため、原子力施設の廃止措置には技術的および経済的な課題があります。[157]廃止措置の費用は通常、施設の耐用年数にわたって分散され、廃止措置基金に貯蓄されます。[158]
生産
民生用原子力発電は2019年に2,586テラワット時（TWh）の電力を供給し、これは世界の発電量の約10％に相当し、水力発電に次いで2番目に大きな低炭素電源であった。[38] [161]電力は世界のエネルギー消費量の約25％を占めるため、原子力発電の世界のエネルギーへの貢献は2011年に約2.5％であった。[162]これは、2014年に世界の最終エネルギー消費量の2％を占めた風力、太陽光、バイオマス、地熱発電による世界の電力生産量の合計よりわずかに多い。 [163]世界の電力生産量に占める原子力発電のシェアは、主に原子力発電の経済性がより困難になったため、1997年の16.5％から低下している。[164]
2022年3月現在、世界には439基の民生用核分裂炉[update]があり、総発電容量は392ギガワット（GW）である。また、建設中の原子力発電所は56基、計画中の原子力発電所は96基あり、総発電容量はそれぞれ62GWと96GWである。[165]米国は最大の原子炉群を保有しており、年間800TWh以上を発電し、平均設備利用率は92%である。[166]アジアで建設中の原子炉のほとんどは第3世代原子炉である。 [167]
原子力発電の利用については地域差が大きい。米国は世界で最も多くの原子力エネルギーを生産しており、原子力は消費電力の20％を供給している。一方、フランスは原子炉から最も高い割合の電力を生産しており、2019年には71％を供給した。 [18]欧州連合では、原子力は2018年時点で電力の26％を供給している。[168] 原子力は米国で最大の低炭素電源であり、[169]欧州連合の低炭素電力の3分の2を占めている。 [170]原子力エネルギー政策は欧州連合諸国間で異なり、オーストリア、エストニア、アイルランド、イタリアなど一部の国では稼働中の原子力発電所がない。
さらに、約180基の原子炉で駆動する原子力推進を採用した海軍艦艇が約140隻運用されていた。 [171] [172]これらには軍用船のほか、原子力砕氷船などの民間船も含まれる。[173]
国際的な研究は、水素製造（水素経済の支援）、海水淡水化、地域暖房システムでの使用など、プロセス熱のさらなる利用について継続されています。 [174]
経済
新しい原子力発電所の経済性は議論の余地のある問題であり、数十億ドルの投資はエネルギー源の選択に左右される。原子力発電所は通常、発電所建設に多額の資本コストがかかる。このため、他の発電方法との比較は、原子力発電所の建設期間と資本資金調達に関する想定に大きく依存する。燃料費は運用コストの約30％を占め、価格は市場によって左右される。[175]
建設コストの高さは原子力発電所にとって最大の課題の一つである。1,100MWの新発電 所の建設コストは60億～90億米ドルと見積もられている。[176]原子力発電のコスト動向は国、設計、建設速度、専門知識の確立によって大きな差がある。2000年代にコストが下がったデータはインドと韓国の2カ国のみである。[177]
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という点も考慮する必要がある。2010年現在、稼働中の原子力発電所はすべて国営または規制下にある 電力会社独占企業によって開発されている。[178]その後、多くの国が電力市場を自由化し、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企業が出現するリスクは、消費者ではなく発電所の供給者や運営者が負うようになった。このため、新規原子力発電所の経済性の評価は大きく異なるものとなっている。[179]
国際エネルギー機関（IEA）とOECD原子力機関（ OECD）の分析によると、新しい原子力発電所の均等化発電原価（LCOE）は69米ドル/MWhと推定されている。これは、割引率7％で、2025年に完成予定のn番目の原子力発電所のコスト推定中央値を示している。原子力は、ディスパッチ可能な技術の中で最も低コストの選択肢であることが判明した。[180]変動性再生可能エネルギーはより安価な電力を生成でき、陸上風力発電のコスト中央値は50米ドル/MWh、公益事業規模の太陽光発電は56米ドル/MWhと推定されている。[180] CO2排出コストを30米ドル/トンと想定すると、石炭（88米ドル/MWh）とガス（71米ドル/MWh）からの電力は、低炭素技術よりも高価である。寿命延長による原子力発電所の長期運転からの電力は、32米ドル/MWhで最も低コストの選択肢であることが判明した。[180]
炭素税や炭素排出量取引などの地球温暖化を緩和する対策は、原子力発電の経済的側面に有利に働く可能性がある。[181] [182]気候変動によってさらに深刻化する現象を含む極端な気象現象は、立地条件にもよりますが、原子力エネルギーを含むすべてのエネルギー源の信頼性をわずかに低下させている。[183] [184]
ニュースケール・パワー社が開発したような新しい小型モジュール原子炉は、原子炉を小型化・モジュール化して工場で製造できるようにすることで、新規建設の投資コストを削減することを目的としている。
CANDUのようないくつかの設計は、初期の段階でかなりの経済性を示しました。CANDUは、 1990年代まで第2世代軽水炉と比較して、はるかに高い稼働率と信頼性を実現しました。 [185]
原子力発電所は、ある程度の系統負荷追従能力はあるものの、通常は発電コストを可能な限り低く抑えるために、できるだけ長時間稼働させ、主にベースロード電力を供給している。[186]オンライン燃料交換炉の設計により、PHWR（CANDU設計もその一部）は、800日を超えることが多い、最長連続発電の世界記録を数多く保持し続けている。[187] 2019年時点での具体的な記録は、カイガ原子力発電所のPHWRが962日間連続で発電したものだ。[188]
LCOEの計算で考慮されないコストには、研究開発費や災害費用（福島原発事故の納税者負担額は約1870億ドルと推定）が含まれる。[189]場合によっては、政府が「潜在的なコスト超過分を消費者に前払いさせる」こと[84]や、不経済な原子力エネルギーに補助金を出すこと[190]、またはそうすることを要求されることがわかった。[55]欧州連合では、原子力事業者は廃棄物管理の費用を支払う義務がある。[191]米国では、議会が40年前に、放射性廃棄物の保管は民間企業ではなく国が責任を負い、納税者が費用を負担することを決定したと伝えられている。[192] 2019年世界核廃棄物報告書は、「汚染者負担原則が法的に義務付けられている国でさえ、その適用は不完全である」と指摘し、ドイツのアッセII深地層処分施設の事例を指摘している。この施設では、大量の廃棄物の回収に納税者が費用を負担しなければならない。[193]同様に、化石燃料や再生可能エネルギーを含む他の形態のエネルギーも、その費用の一部を政府が負担している。[194]
宇宙での使用
宇宙における原子力の最も一般的な用途は、放射性崩壊を利用して発電する放射性同位元素熱電発電機の使用である。これらの発電機は比較的小規模（数kW）で、ボイジャー2号宇宙探査機のように、十分な量の太陽光発電が利用できない場所での長期間の宇宙ミッションや実験に電力を供給するために主に使用されている。[195]原子炉を使用して打ち上げられた宇宙船はいくつかある。34基の原子炉はソビエトのRORSATシリーズに属し、1基はアメリカのSNAP-10Aである。[195]
核分裂と核融合はどちらも宇宙推進への応用が期待されており、反応質量が少なくてもより高いミッション速度を生み出すことができる。[195] [196]
安全性
原子力発電所は、他の発電所と比較して、安全性に影響を与える3つの独自の特徴を持っています。第一に、原子炉には強力な放射性物質が存在しています。それらが環境に放出されると危険です。第二に、原子炉内の強力な放射性物質の大部分を構成する核分裂生成物は、核分裂連鎖反応が停止した後もかなりの量の崩壊熱を生成し続けます。原子炉から熱を除去できない場合、燃料棒が過熱して放射性物質を放出する可能性があります。第三に、連鎖反応を制御できない場合、特定の原子炉設計では臨界事故（原子炉出力の急激な増加）が発生する可能性があります。原子炉を設計するときは、これらの3つの特徴を考慮する必要があります。[197]
現代の原子炉はすべて、負のボイド反応度係数として知られる概念である自然のフィードバック機構によって、原子炉出力の制御不能な増加が防止されるよう設計されている。原子炉内の温度または蒸気量が増加すると、核分裂率は本質的に低下する。原子炉の炉心に制御棒を挿入することで、連鎖反応を手動で停止させることもできる。通常の冷却システムが故障した場合、緊急炉心冷却システム（ECCS）が原子炉から崩壊熱を取り除くことができる。[198] ECCSが故障した場合、事故が発生した場合でも、複数の物理的障壁によって放射性物質が環境中に放出されるのを防ぐことができる。最後の物理的障壁は、大型の格納容器である。[197]
原子力は、死亡率が1テラワット時あたり0.03人であり、歴史的実績を考慮すると、死亡率の点で太陽光発電に次いで、発電単位当たりで2番目に安全なエネルギー源である。[199]石炭、石油、天然ガス、水力発電によって生産されたエネルギーは、大気汚染やエネルギー事故により、発電単位当たりの死亡者数が多くなっている。これは、他のエネルギー源による直接的な死亡者数を、原子力事故による直接的および潜在的な、あるいは予測される間接的ながんによる死亡者数と比較した場合にわかる。[200] [201]原子力と化石燃料による直接的および間接的な死亡者数（採鉱や大気汚染による死亡者数を含む）を比較すると、[202]原子力の使用により、化石燃料によって発電されていたであろうエネルギーの割合が削減され、1971年から2009年の間に大気汚染による死亡者数が約184万人減少したと計算されている。[203] [204] 2011年の福島原発事故を受けて、もし日本が原子力発電を導入していなかったら、石炭火力発電所やガス火力発電所の事故や汚染により、より多くの命が失われていただろうと推定されている。[205]
原子力事故の深刻な影響は、放射線被曝に直接起因するものではなく、むしろ社会的、心理的影響に起因することが多い。影響を受けた人々の避難と長期にわたる移住は、多くの人々、特に高齢者と入院患者に問題を引き起こした。[206]原子力事故からの強制避難は、社会的孤立、不安、うつ病、心身医学的問題、無謀な行動、自殺につながる可能性がある。チェルノブイリ原発事故の余波に関する2005年の包括的な研究では、精神的健康への影響が事故によって引き起こされた最大の公衆衛生問題であると結論付けられた。[207]アメリカの科学者である フランク・N・フォン・ヒッペルは、電離放射線に対する過度の恐怖（放射線恐怖症）が、福島原発事故後の汚染地域の住民に長期的な心理的影響を及ぼす可能性があるとコメントした。[208]
事故
深刻な原子力事故や放射線事故が発生しています。原子力事故の重大性は、国際原子力機関(IAEA) が導入した国際原子力事象評価尺度(INES)によって一般的に分類されます。この評価尺度では、異常な事象や事故を 0 (安全上のリスクをもたらさない通常運転からの逸脱) から 7 (広範囲にわたる影響を伴う重大事故) までの尺度でランク付けします。民間の原子力産業ではレベル 5 以上の事故が 3 件発生しており、そのうち 2 件 (チェルノブイリ事故と福島事故) はレベル 7 に分類されています。
最初の大規模な原子力事故は、 1957年に起きたソ連のキシュティム原発事故とイギリスのウィンズケール火災である。米国で最初の大規模な原子炉事故は、 1961年にアイダホ国立研究所の米軍実験用原子炉SL-1で発生した。制御不能な連鎖反応により水蒸気爆発が発生し、乗組員3名が死亡し、メルトダウンが発生した。[211] [212] 1968年には別の重大事故が発生し、ソ連の潜水艦 K-27に搭載されていた2基の液体金属冷却原子炉のうち1基で燃料要素の破損が発生し、気体の核分裂生成物が周囲の空気中に放出され、乗組員9名が死亡、83名が負傷した。[213]
福島第一原子力発電所事故は、 2011年の東北地方太平洋沖地震と津波によって引き起こされた。この事故では放射線による死者は出ていないが、周辺地域は放射能汚染されている。困難な除染作業には、40年以上かけて数百億ドルの費用がかかると予想されている。[214] [215] 1979年のスリーマイル島事故は、INESレベル5と評価された小規模な事故だった。この事故による直接的または間接的な死者は出ていない。[216]
原子力事故の影響は議論の的となっている。ベンジャミン・K・ソバクールによると、核分裂エネルギー事故は総経済コストの点でエネルギー源の中で第1位であり、エネルギー事故に起因するすべての財産損害の41%を占めている。[217]別の分析では、石炭、石油、液化石油ガス、水力発電の事故（主に板橋ダムの災害による）は、原子力事故よりも大きな経済的影響をもたらしたことが判明した。[218]この研究では、原子力に起因する潜在的な癌による死亡と、生成されたエネルギー単位あたりの他のエネルギー源による即時の死亡を比較しており、化石燃料関連の癌や化石燃料の消費によって生じたその他の間接的な死亡は「重大事故」（死亡者が5人以上の事故）の分類に含まれていない。1986年のチェルノブイリ事故では、直接的および間接的な影響で約50人が死亡し、急性放射線症候群による一時的な重傷がいくつか発生した。[219]今後数十年で癌発生率の上昇による死亡率は4000人と予測されています。[220] [221] [222]しかし、コストは大きく、増加しています。
原子力発電は、国内および国際条約に従って事故賠償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る。 [223]この潜在的な賠償責任不足は、原子力発電のコストに含まれていない外部コストを表しているとよく言われる。このコストは小さく、米国議会予算局の調査によると、均等化発電原価の約0.1％に相当する。 [224]最悪のシナリオに対するこれらの通常を超える保険コストは、原子力発電に特有のものではない。水力発電所も同様に、ダム決壊などの大惨事に対して完全に保険がかけられていない。たとえば、板橋ダムの決壊により、推定3万人から20万人が死亡し、1,100万人が家を失った。民間保険会社は限定されたシナリオに基づいてダム保険料を設定しているため、この分野の大規模災害保険も同様に国によって提供されている。[225]
攻撃と破壊行為
テロリストは、放射能汚染を地域社会に放出しようとして原子力発電所を標的にする可能性がある。米国9/11委員会は、2001年9月11日の攻撃では、原子力発電所が当初標的として考えられていたと述べている。原子炉の使用済み燃料プールへの攻撃も、原子炉の炉心よりも保護が弱いため、深刻な事態を招く可能性がある。放射能の放出は、短期的には数千人の死者を出し、長期的にはさらに多くの死者を出す可能性がある。[226]
米国では、原子力規制委員会がすべての原子力発電所で少なくとも3年に1回「フォース・オン・フォース」（FOF）演習を実施している。[226]米国では、原子力発電所は電子監視された2列の高いフェンスで囲まれている。発電所の敷地内は、かなりの数の武装警備員によって巡回されている。[227]
内部者による妨害行為も脅威である。なぜなら内部者はセキュリティ対策を観察し、回避することができるからである。内部者による犯罪が成功するかどうかは、犯人のセキュリティの脆弱性に対する観察力と知識にかかっていた。 [ 228] 1971年、ニューヨークのインディアンポイントエネルギーセンターで火災が発生し、500万～1000万ドル相当の損害が発生した。 [229]放火犯はプラントの保守作業員だった。[230]
増殖
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核拡散とは、核兵器、核分裂性物質、核兵器関連の核技術が、核兵器をまだ保有していない国に拡散することです。原子力発電計画の策定に関連する多くの技術や物質は、核兵器の製造にも使用できるという点で、二重使用能力を備えています。このため、原子力発電は拡散リスクを伴います。
原子力発電計画は核兵器につながる道になり得る。その一例がイランの核計画に対する懸念である。[233]民生用原子力産業を軍事目的に転用することは、190カ国が加盟する核拡散防止条約に違反する。2012年4月現在、民生用原子力発電所を保有する国は31カ国あり、[234]そのうち9カ国が核兵器を保有している。これらの核兵器国の大多数は、商業用原子力発電所よりも先に核兵器を製造している。
世界の安全保障の基本的な目標は、原子力発電の拡大に伴う核拡散リスクを最小限に抑えることである。[233]世界原子力エネルギーパートナーシップは、エネルギーを必要とする発展途上国が、自国でのウラン濃縮プログラムの開発を放棄することに同意する代わりに、割引価格で核燃料を受け取るという配給ネットワークを構築する国際的な取り組みであった。フランスに拠点を置くユーロディフ/欧州ガス拡散ウラン濃縮コンソーシアムは、この概念をうまく実施したプログラムであり、濃縮施設を持たないスペインやその他の国は、フランスが管理する濃縮施設で生産された燃料の一部を購入しているが、技術移転は行われていない。[235]イランは1974年から初期に参加しており、ソフィディフを通じてユーロディフの株主であり続けている。
2009年の国連報告書は次のように述べています。
原子力への関心の復活は、ウラン濃縮や使用済み燃料の再処理技術の世界的な普及につながる可能性があるが、これらの技術は核兵器に直接使用可能な核分裂性物質を生成する可能性があるため、明らかに核拡散のリスクがある。[236]
一方、原子力発電所の燃料として軍用級の核物質を再処理すれば、発電用原子炉は核兵器の保有量を減らすこともできる。メガトン・トゥ・メガワット計画は、これまでで最も成功した核不拡散計画の一つと考えられている。 [231] 2005年までに、同計画では80億ドル相当の高濃縮兵器級ウランを天然ウランで希釈し、商業用核分裂炉の燃料として適した低濃縮ウランに加工した。これは1万発の核兵器の廃棄に相当する。[237]約20年間、この物質は米国で消費される全電力の約10％、つまり米国の全原子力発電の約半分を生成し、総発電量は約7,000 TWhだった。[238]総額は170億ドルと推定され、「米国の料金支払者にとってはお買い得」であり、ロシアはこの取引で120億ドルの利益を得た。[238]ソ連経済の崩壊後、ロシア連邦の高濃縮ウランと核弾頭の維持とセキュリティの支払いに苦労していたロシアの核監視産業にとって、これは非常に必要な利益であった。[239]メガトンからメガワットへのプログラムは、冷戦終結以来、世界中で核兵器の数が大幅に削減された原動力となったため、反核兵器支持者から大きな成功として歓迎された。[231]しかし、原子炉の増加と核分裂性燃料の需要の増加がなければ、解体とダウンブレンディングのコストはロシアが軍縮を続けることを思いとどまらせた。2013年現在、ロシアはプログラムの延長に関心がないようだ。[240]
環境への影響
原子力エネルギーは、土地利用の必要性が比較的少ない低炭素エネルギー源であるため、環境にプラスの影響を与える可能性がある。また、大量の水を絶えず供給する必要があり、採掘や製粉によって環境に影響を与える。[241] [242] [243] [244]原子力エネルギーが環境に与える最大の潜在的なマイナスの影響は、将来的に核兵器が使用されるリスクを高める可能性のある核兵器拡散の世代を超えたリスク、地下水汚染など放射性廃棄物の管理に関連する問題のリスク、事故のリスク、廃棄物貯蔵施設や再処理・発電所へのさまざまな形態の攻撃のリスクから生じる可能性がある。[72] [245] [246] [247] [248] [244] [249] [250]しかし、歴史的に原子力発電所で比較的大きな環境影響が知られている災害はほとんどなかったため、これらはほとんどリスクにとどまっている。
炭素排出量
原子力発電は、電力を生産するための主要な低炭素発電方法の1つであり、生成されるエネルギー単位あたりのライフサイクル全体の温室効果ガス排出量で見ると、再生可能エネルギーと同等かそれ以下の排出量となっています。[252] [253]気候変動に関する政府間パネル（IPCC）による2014年のカーボンフットプリント文献の分析によると、原子力発電のライフサイクル全体の排出強度の中央値は12 g CO 2 eq / kWhで、これはすべての商用ベースロードエネルギー源の中で最も低いと報告されています。 [251] [254]これは、石炭と天然ガスの820 g CO 2 eq / kWhと490 g CO 2 eq / kWhとは対照的です。[251] [254]ある報告書によると、2021年の時点で、世界中の原子炉は、石炭火力発電と比較して、1970年以降720億トンの二酸化炭素排出を回避するのに役立っています。[204] [255]
放射線
自然放射線による平均線量は、世界全体で年間2.4ミリシーベルト （mSv/a）です。これは主に場所の地質に応じて、 1mSv/aから13mSv /aの間で変動します。国連（UNSCEAR）によると、核燃料サイクルを含む原子力発電所の定期的な運転により、 世界平均で公衆被ばく量が0.0002mSv/a増加します。稼働中の原子力発電所からその周辺の地域住民が受ける平均線量は0.0001mSv /a未満です。[256]比較すると、石炭火力発電所から50マイル（80km）以内の住民の平均線量は、この3倍以上の0.0003mSv /aです。[257]
チェルノブイリでは、最も影響を受けた周辺住民と男性の復旧作業員が、 数時間から数週間にわたって平均50～100mSvの放射線を浴びたが、最悪の原子力発電所事故による地球全体の被ばく量は、平均で年間0.002mSvであり、事故が発生した1986年に北半球全体の人口平均で0.04mSv という当初の高値から、減衰率で継続的に減少している。[256]
議論
原子力発電論争は、民生用に核燃料から電力を生産するための原子核分裂炉の配備と使用をめぐる論争に関するものである。[25] [259] [26]
原子力エネルギーの支持者は、原子力エネルギーが、輸入に頼ることも多い他のエネルギー源への依存を減らすことで炭素排出量を削減し、エネルギー安全保障を向上させる持続可能なエネルギー源であると考えている。 [ 89] [90] [91] [260] [ 261 ] [262]例えば、支持者は、原子力発電によって、化石燃料から排出されるはずだった二酸化炭素排出量を年間4億7千万トン削減していると指摘している。[263]さらに、原子力エネルギーによって生じる廃棄物の量は比較的少ないため、大規模な原子力発電施設で安全に処分されるか、他のエネルギー用途に再利用/リサイクルされる。[264]ピークオイルの概念を普及させたM・キング・ハバートは、石油は枯渇する資源であるとし、原子力エネルギーを石油の代替と考えていた。[265]支持者たちはまた、現在の核廃棄物の量は少なく、最新の原子炉技術によって削減できると主張し、死者数という点では核分裂発電の運用上の安全記録は今のところ「比類のない」ものであると主張している。[14]カレチャとハンセンは、「世界の原子力発電は、平均184万人の大気汚染関連の死者と、化石燃料の燃焼によって生じる64ギガトンのCO2相当（GtCO2-eq）の温室効果ガス（GHG）排出を防いだ」と推定しており、もし原子力発電が続けば、2050年までに最大700万人の死者と240ギガトンのCO2相当の排出を防ぐことができるとしている。[ 204 ]
推進派は、他の形態の電力を使用することによる機会費用にも注目している。例えば、環境保護庁は、石炭がその環境への影響の結果として年間3万人を殺していると推定している[266]。一方、チェルノブイリ原発事故では60人が死亡した。 [267]推進派が示す現実世界のインパクトの例として、バーモント・ヤンキー原子力発電所の閉鎖後2か月で炭素排出量が65万トン増加したことがあげられる。[268]
反対派は、原子力発電は人々の健康と環境に多くの脅威をもたらすと考えている[269] [270]。例えば、核兵器拡散のリスク、長期的な廃棄物の安全な管理、将来のテロリズムなどである[271] [272]。彼らはまた、原子力発電所は多くのことがうまくいかない可能性があり、実際にうまくいかなかったと主張する。[273] [274]チェルノブイリ原発事故の費用は2019年時点で約680億ドルに達し、増加している。[34]福島原発事故は納税者に約1870億ドルの費用がかかると推定されている[189 ]。また、放射性廃棄物管理は2050年までに欧州連合の原子力事業者に約2500億ドルの費用がかかると推定されている。 [191]しかし、すでに原子力エネルギーを使用している国では、再処理を考慮しない場合、中間核廃棄物処理費用は、ある程度は比較的固定されている可能性があるが、その程度は不明である[275]。「これらの費用の大部分は中間貯蔵施設の運営に起因する」。[276]
批評家は、新しい核分裂発電所を建設することの最大の欠点の1つは、持続可能なエネルギー源の代替品と比較して、建設費と運転費が大きいことだと考えている。[54] [277 ] [83] [243] [278]さらに、継続的な研究開発、実施されている場合の高価な再処理[72] [73] [74] [76]、および廃止措置などのコストがかかる。[279] [280] [281]しかし、支持者は、均等化発電原価（LCOE）に焦点を当てると、24時間365日ディスパッチ可能な電力に関連する価値プレミアムと、変動エネルギー源を信頼性の高い電力網に統合するために必要なストレージおよびバックアップシステムのコストが無視されると指摘している。 [282]「したがって、原子力は2025年まで最も低いコストでディスパッチ可能な低炭素技術のままです。大規模な水力発電貯水池のみが同等のコストで同様の貢献を提供できますが、各国の自然資源に大きく依存しています。」[283]
全体的に、多くの反対派は、原子力エネルギーは気候変動の緩和に有意義に貢献できないと考えています。一般的に、彼らはそれが危険すぎる、費用がかかりすぎる、導入に時間がかかりすぎる、持続可能性とカーボンニュートラルへの移行を達成する上での障害になると考えている。[83] [284] [285] [286]事実上、代替の持続可能なエネルギーシステム技術[ 84] [ 288] [83] [ 289] （風力、海洋、太陽光[83]など- 例えば浮体式太陽光発電を含む -および原子力ベースロード[290]発電以外の間欠性を 管理する方法、例えばディスパッチ可能な発電、再生可能エネルギーの多様化、 [291] [292]スーパーグリッド、柔軟なエネルギー需要と供給を調整するスマートグリッド、エネルギー貯蔵[293] [294] [295] [296] [297 ] 技術）の導入と開発のためのリソース（つまり、人材、資金、時間、インフラ、専門知識）をめぐる競争が妨げられる [287] [288] ことになる。[298] [299] [300] [301] [302] [303] [304] [305] [250]
それでもなお、新しい原子力のコストについては、季節的なエネルギー貯蔵を提供することが困難で、世界平均よりも速いペースで化石燃料を段階的に廃止し、低炭素電力への移行を目指している地域では特に、研究と議論が続いている。 [306]完全に原子力を段階的に廃止した100％再生可能エネルギーベースの欧州エネルギーシステムの移行費用は、現在の技術（グリーン水素、送電および柔軟性の能力、エネルギー需要の削減方法、地熱エネルギー、核融合エネルギーなどの潜在的な進歩を考慮しない場合）に基づくと、送電網が欧州全体にしか広がっていない場合、2050年までにさらに高くなる可能性があると考える人もいる。[307]経済性と安全性の議論は、議論の両側で使用されている。
再生可能エネルギーとの比較
地球温暖化を遅らせるには、主に化石燃料の燃焼を大幅に減らすことによる低炭素経済への移行が必要です。2019年以降に新しい化石燃料発電所を建設しなければ、地球温暖化を1.5℃に抑えることは技術的に可能です。 [308]これにより、世界のエネルギーミックスで化石燃料を急速に置き換えるための最善の道筋を決定することに大きな関心と論争が生じており、 [309] [310]学術的な激しい議論が交わされています。[311] [312] IEAは、原子力発電所のない国は再生可能エネルギーと同様に原子力発電所を開発すべきだと述べることもあります。[313]
いくつかの研究は、理論的には世界のエネルギー生産の大部分を新しい再生可能エネルギー源で賄うことが可能であるかもしれないことを示唆している。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、政府が支援すれば、再生可能エネルギーの供給は2050年までに世界のエネルギー使用量の80％近くを占める可能性があると述べている。[315]先進国では、新しい水力発電に経済的に実現可能な地理的条件が不足しており、地理的に適した地域はすべてすでに広く利用されているが、[316]風力および太陽エネルギーの支持者の中には、これらの資源だけで原子力発電の必要性をなくすことができると主張する人もいる。[312] [317]
原子力は、過去に供給された電力1単位あたりの命の損失という点では、多くの再生可能エネルギー源に匹敵し、場合によってはそれよりも少ない。[202] [200] [318]再生可能エネルギー技術のリサイクルによっては、原子炉ははるかに少ない量の廃棄物を生成する可能性があるが、はるかに有毒で、管理に費用がかかり、寿命が長い。[319] [246]原子力発電所は解体して撤去する必要があり、解体された原子力発電所の多くは数十年に渡って低レベル放射性廃棄物として保管する必要がある。[320] 2018年時点で25万トンを超える多種多様な放射性廃棄物の処分と管理は、漏洩、 [329]悪意のある回収、攻撃に対する脆弱性（再処理 [75 ] [72]や発電所を含む） 、地下水汚染、放射線や地上への漏洩、塩水漏洩、細菌による腐食などの問題により、今後数十万年以上にわたって世界中で損害とコストを引き起こす可能性があります。[325] [ 331 ] [ 332]欧州委員会共同研究センターは、2021年時点で核廃棄物の地層処分に必要な技術が利用可能であり、展開可能であることを発見しました。[333]腐食の専門家は2020年に、貯蔵の問題をこれ以上先送りすることは「誰にとっても良いことではない」と指摘した。[334]分離されたプルトニウムと濃縮ウランは核兵器に使用される可能性があり、現在の中央集権的な管理（国家レベルなど）と普及レベルでさえ、人類の健康、生命、文明、環境に将来的に重大な影響を及ぼす困難で重大な世界的リスクであると考えられている。[72] [245] [246] [247] [248]
必要な移行のスピードと投資
2015年にバリー・W・ブルック教授らが行った分析によると、原子力エネルギーは10年以内に電力網から化石燃料を完全に排除または除去できる可能性があるという。この発見は、1980年代のフランスとスウェーデンの建設計画中に原子力エネルギーが追加された、歴史的に控えめで実証済みの速度に基づいていた。[335] [336]同様の分析で、ブルックは以前、世界の核分裂建設速度が、世界のGDPの単位あたりの年間GW数（GW/年/ドル）で計算された歴史的に実証済みの設置速度と同一であれば、輸送用合成燃料などを含む世界のすべてのエネルギーの50％を約30年以内に生成できると判断していた。[337]これは、歴史的に前例のない、年間で桁違いにコストのかかる世界的な投資を必要とする100％再生可能エネルギーシステムの概念研究とは対照的である。 [338]これらの再生可能エネルギーのシナリオでは、陸上風力および陸上太陽光発電プロジェクトに充てられる土地もはるかに広く必要になる。[337] [338]ブルックは、「核分裂の主な制限は技術的、経済的、燃料に関連したものではなく、むしろ社会の受容、財政的および政治的慣性、そして[他の]低炭素代替案が直面している現実世界の制約に対する不十分な批判的評価といった複雑な問題に関連している」と指摘している。[337]
科学的データによると、2021年の排出量を想定すると、人類が温暖化を1.5 ℃に抑えるために残された炭素予算は11年分の排出量に相当するだけである[339] [340]。一方、新しい原子炉の建設には2018～2020年に平均7.2～10.9年かかり[332]、これは他の対策と並んで風力や太陽光発電の導入拡大（特に新型原子炉の場合）よりも大幅に長く、リスクが高く、遅れることが多く、政府の支援への依存度も高い。[341] [342] [285] [287] [83] [343] [298]研究者らは、数十年にわたって開発が進められてきた新しい原子力技術は[344] [83] [277]試験が少なく、核拡散リスクが高く、新たな安全上の問題が多く、商業化にはほど遠く、より高価であり[277] [83] [243] [345]、間に合わないと警告している。[79] [84] [346] [287] [347] [297] [348]原子力エネルギーの批評家は、核分裂エネルギーには反対するが核融合には反対しないことが多い。しかし、核融合エネルギーは2050年より前に商業的に普及する可能性は低い。[349] [350] [351] [352] [353]
土地利用
米国の原子力発電所が1GW の設備容量あたりに使用する土地面積の中央値は1.3平方マイル（3.4 km 2）である。[354] [355]太陽光発電で同量の電力を年間（設備容量係数を考慮）発電するには約60平方マイル（160 km 2）の土地が必要であり、風力発電所では約310平方マイル（800 km 2）の土地が必要となる。[354] [355]これには、関連する送電線、給水、鉄道、核燃料の採掘と処理、および廃棄物処理に必要な土地は含まれない。[356]
研究
先進的な核分裂炉の設計
現在、世界中で稼働している核分裂炉は第2世代または第3世代のシステムであり、第1世代のシステムのほとんどはすでに廃止されています。経済性、安全性、核拡散抵抗性、天然資源の利用、既存の核廃棄物を電力生産に利用する能力の向上など、8つの技術目標に基づいて、第4世代国際フォーラム（GIF）によって、先進的な第4世代原子炉タイプの研究が正式に開始されました。これらの原子炉のほとんどは、現在稼働している軽水炉とは大きく異なり、2030年以降に商業的に建設できるようになると予想されています。[357]
ハイブリッド核融合
ハイブリッド原子力発電は、核融合と核分裂のプロセスを組み合わせて発電する提案された手段である。この概念は1950年代にさかのぼり、 1970年代にはハンス・ベーテによって短期間提唱されたが、純粋な核融合の実現が遅れたため、2009年に関心が再燃するまで、ほとんど研究されなかった。持続的な核融合発電所が建設されると、使用済み核分裂燃料に残っている核分裂エネルギーをすべて抽出できる可能性があり、核廃棄物の量を桁違いに減らし、さらに重要なことに、使用済み燃料に存在するすべてのアクチニド（安全上の懸念を引き起こす物質）を排除できる可能性がある。[358]
融合
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核融合反応は、核分裂よりも安全で、放射性廃棄物の排出量が少ない可能性がある。[359] [360]これらの反応は潜在的に実現可能であるように思われるが、技術的には非常に困難であり、機能的な発電所で使用できる規模ではまだ実現されていない。核融合エネルギーは1950年代から理論的および実験的研究が行われている。核融合研究は進行中であるが、核融合エネルギーが商業的に普及するのは2050年までではないと思われる。 [361] [362] [363]
実験用の核融合炉や施設はいくつか存在する。現在進行中の最大かつ最も野心的な国際核融合プロジェクトは、フランスで建設中の大型トカマクであるITERである。ITERは、正のエネルギー利得を伴う自立型核融合反応を実証することにより、商業用の核融合発電への道を開くことが計画されている。ITER施設の建設は2007年に始まったが、プロジェクトは多くの遅延と予算超過に見舞われた。施設は現在、当初の予想から11年後の2027年まで稼働を開始しない見込みである。[364]後継の商業用核融合発電所であるDEMOが提案されている。[349] [365]また、慣性核融合発電所という異なる核融合アプローチに基づく発電所の提案もある。
核融合発電は、核分裂発電と同様に、当初は容易に実現可能と考えられていた。しかし、連続反応とプラズマ封じ込めに対する厳しい要件により、予測は数十年延長された。最初の試みから80年以上が経過した2020年現在、核融合発電の商業化は2050年より前には実現しそうにないと考えられていた。 [349] [350] [351] [352] [353]
核融合エネルギーの開発を強化し加速するため、米国エネルギー省（DOE）は2023年にコモンウェルス・フュージョン・システムズやトカマク・エナジー社を含む8社に4,600万ドルの助成金を交付した。この野心的な取り組みは、10年以内にパイロット規模の核融合を導入することを目指している。[366]
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ただし、シナリオA3のシミュレーションは、不足のため2075年に停止していることがわかります。R/P比は相殺されます。また、詳細な計算によれば、シナリオC2では相殺されないものの、R/P比は2013年の130年から2100年頃には10年にまで低下し続け、その頃には不足が懸念される。つまり、探査制約が供給の安全性に影響するのだ。
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- U.S. Energy Information Administration Archived 2011-07-08 at the Wayback Machine
- Nuclear Fuel Cycle Cost Calculator Archived 2022-07-11 at the Wayback Machine