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原子炉級プルトニウム（RGPu）[ 1 ] [ 2 ]は、原子力発電所で使用されるウラン235一次燃料が燃焼した後、使用済み核燃料中に存在するプルトニウムの同位体級です。中性子捕獲によってほとんどのプルトニウム同位体が生成されるウラン238は、民生用原子炉の低濃縮ウラン燃料中にウラン235とともに存在します。
兵器級プルトニウム（WGPu/ 239Pu ）の製造に通常必要とされる数週間から数か月という低燃焼度とは対照的に、原子炉級プルトニウムを製造する原子炉内での長時間の運転は、核分裂性で比較的半減期の長い同位体239Puの大部分を、核分裂性が低い、あるいは放射能の高い他のプルトニウム同位体へと変換する。プルトニウムは中性子を吸収しても、必ずしも核分裂を起こすとは限らない。中性子吸収によって代わりに240が生成される場合もある。典型的な軽水炉に存在する中性子温度と燃料組成におけるプルトニウム濃度は240照射時間が長くなるにつれてプルトニウム濃度は着実に上昇し、時間の経過とともに低品位のプルトニウムが生成される。
第2世代熱中性子炉（現在最も数が多い原子力発電所）は、原子炉級プルトニウムをMOX燃料として限定的に、かつ第2サイクルのみ再利用できる。現在稼働中の高速中性子炉は、数基が建設中で、原子炉級プルトニウム燃料を、使用済み核燃料／核廃棄物の超ウラン含有量を低減する手段として使用できる。ロシアはまた、原子炉級プルトニウムを1％以下の濃度で直接リサイクルし、高燃焼度燃料の1％プルトニウム濃度を模倣した新規または再濃縮ウラン燃料を生成する新型のリミックス燃料も開発した。
戦時中の生産炉でプルトニウム239の工業規模生産が始まった当初、プルトニウム240の微量汚染または共産が観察され、これらの微量が原因でシンマン兵器設計は実現不可能として放棄された。[ 3 ]純度の違い、その量の違いは、核拡散と兵器使用可能性の文脈で重要性を評価する上で依然として重要である。
エネルギー省による原子炉級プルトニウムの定義は1976年に変更された。それ以前は3つの等級が認められていた。1976年以前は プルトニウム240含有量が7%を超えるプルトニウムを指していた原子炉級の定義が、19 %以上のプルトニウム240を含むものと定義されたのは、1977年に1962年の「原子炉級核実験」に関する情報が公開された時期と重なる。1962年の「原子炉級」実験に、旧定義または新定義のどちらが適用されるかは、公式には明らかにされていない。
1976年からは、4つの等級が認められた。
最も一般的な民生用発電用または動力用原子炉設計である軽水炉（LWR）（例として加圧水型原子炉（PWR）や沸騰水型原子炉（BWR ）がある）の使用済み燃料の再処理またはリサイクルでは、原子炉級プルトニウム（1976年以降に定義されたもの）が回収され、燃料級プルトニウムは回収されない。[ 5 ] [ 6 ]
原子炉級プルトニウムの同位体の物理的な混合は、取り扱いと成形を極めて困難にするため、兵器製造物質としては望ましくない理由を説明している。一方、兵器級プルトニウムは、厚手の手袋を着用すれば比較的安全に取り扱うことができる。[ 4 ]
兵器級プルトニウムを製造するには、ウラン核燃料は原子炉炉心内で数週間以上経過することなく取り出されなければならず、燃料燃焼度を低くする必要がある。発電用原子炉で最も一般的な設計である加圧水型原子炉でこれを行うには、原子炉は燃料投入後すぐに早期に冷停止状態に達する必要があり、そのためには原子炉は崩壊熱を冷却し、原子炉圧力容器を減圧し、その後燃料棒を取り出す必要がある。このような操作が行われた場合、容易に検出され、[ 4 ] [ 1 ]非常に高額な原子炉の改造が必要となる。[ 7 ]
PWRでこのプロセスを検出する方法の1つは、これらの期間中にかなりのダウンタイム、つまり原子炉が電力網に電力を供給しない長い期間があることです。[ 8 ]一方、「原子炉級」プルトニウムの現代的な定義は、原子炉が高燃焼度で運転され、したがって高い発電設備利用率を生み出している場合にのみ生成されます。米国エネルギー情報局（EIA）によると、2009年の米国の原子力発電所の設備利用率は他のすべてのエネルギー生成形態よりも高く、原子炉は約90.3%の時間発電し、石炭火力発電所は63.8%で、ダウンタイムは単純な定期メンテナンスと燃料交換のためのものでした。[ 9 ]
典型的な第2世代原子炉の高燃焼度で生成される原子炉級プルトニウムが、核兵器製造において兵器級プルトニウムよりも有用性が低い程度については議論があり、多くの情報源は、ファットマン型装置で理論上の最大収量が0.1～2キロトンの不発爆発に近づく程度であると主張している。計算によれば、 240Puの含有量が5%（ほぼ兵器級プルトニウム）から15%（2キロトン）および25%（0.2キロトン）に増加すると、核爆発のエネルギー収量はそれぞれ1桁および2桁減少する。 [ 12 ]これらの計算は理論的なものであり、兵器に使用できないPu -238の含有量の増加による発熱に対処するという非自明な問題を克服できると仮定している。プルトニウム240の自発的核分裂による早期開始は、そのような装置では低い爆発収量を保証するため、即席核装置の構築における両方の問題を克服することは、ファットマン時代の爆縮設計にとって「困難な」障害であると説明されており、テロリストがこの不発収量を達成する可能性は、実施されている安全対策によって「誇張された」懸念と見なされている。[ 13 ] [ 7 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
理論的な根拠からこれに異議を唱える者もおり、長期間の備蓄やミサイルへの搭載には適さないものの、確実に高い非不発レベルの収量を達成できると主張している[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]。彼らは、核融合を促進するトリチウムと専門知識を持つ資金力のある組織であれば、Pu-240の存在によって生じる早期爆発の問題を克服するのは「比較的容易」であり、遠隔操作施設を、高放射性ガンマ線放出爆弾部品の組み立てに利用できると主張している。また、保管中に兵器ピットを冷却してピット内のプルトニウムの溶融を防ぎ、ピットの熱によって爆縮機構の高性能爆薬が劣化しないようにする設計も必要であると主張している。しかし、これらの主要な設計上の考慮事項をすべて含めても、この核融合ブースト型原子炉グレードのプルトニウム一次炉は、一次炉の核分裂成分が0.2キロトンを超える収量（核融合燃焼を開始するために必要な最小エネルギーとみなされる）をもたらさなければ、やはり失敗に終わるだろう。[ 24 ]核分裂装置がこの閾値収量を達成できない確率は、燃料の燃焼度が高くなるにつれて高くなる。 [ 18 ]
公開されている情報からは、資金力のある組織が、現代の高燃焼度原子炉級プルトニウムと同様の同位体組成を持つ核兵器の製造を真剣に追求したという証拠は一切見当たらない。すべての核兵器保有国は、ウラン濃縮または生産炉として稼働可能な原子炉で低燃焼度の「燃料級」および兵器級プルトニウムを製造するという、より従来型の核兵器製造経路をたどっており、最も一般的な商用発電用原子炉設計である加圧水型原子炉で製造される原子炉級プルトニウムの同位体組成は、兵器使用のために直接検討されたことはない。[ 25 ] [ 26 ]
2012年4月現在、民生用原子力発電所を有する国は31か国あり[ 27 ] 、そのうち9か国は核兵器を保有している。また、核兵器保有国のほぼすべてが、商業用原子力発電所よりも先に兵器の生産を開始した。民生用原子力産業を軍事目的に転用することは、核不拡散条約違反となる。
原子炉の設計は多種多様であり、時間の経過とともに改良されることもあるため、ある設計における「原子炉級プルトニウム」とみなされるものの同位体比は、別の設計と比較して大きく異なる可能性があります。たとえば、第 1 世代ガス冷却炉(GCR) 設計である英国のマグノックス炉は、2〜5 GWd / t Uを超える燃料燃焼度を生成することはまれです。[ 28 ] [ 29 ]したがって、マグノックス炉から排出される「原子炉級プルトニウム」と Pu-239 の純度は、燃焼度に応じて約 80% です。[ 30 ]対照的に、一般的な民生用加圧水型原子炉は、日常的に（2015年の第2世代原子炉の典型例として）45 GWd /tUの燃焼を行い、その結果、Pu-239の純度は50.5%、Pu-240の含有量は25.2%となる。[ 5 ] [ 6 ]残りの部分には、マグノックス原子炉の「原子炉級プルトニウム」に含まれるよりもはるかに多くの熱発生Pu-238およびPu-241同位体が含まれる。
原子炉級プルトニウム核実験は、 1962年に米国ネバダ核実験場で実施された、非兵器級プルトニウムを使用した「低出力（20キロトン未満）」の地下核実験であった。 [ 31 ] [ 32 ]この実験に関する一部の情報は、ジミー・カーター大統領の指示により、米国での核再処理禁止の決定の背景として、1977年7月に機密解除された。
1962年の実験装置に使用されたプルトニウムは英国で製造され、1958年の米英相互防衛協定に基づいて米国に提供された。[ 31 ]
マグノックス原子炉の設計を指示した政府機関である英国原子力公社（UKAEA）における当初のコードネームは、加圧式原子炉による電力およびプルトニウム生産（PIPPA）であり、このコードネームが示すように、この原子炉は発電所として、また燃料の「燃焼」が少ない状態で運転された場合は、英国の初期の核兵器計画のためのプルトニウム239の生産者として設計された。[ 33 ]冷戦初期に生産用原子炉として稼働できる電力用原子炉を建設するというこの意図的な二重用途アプローチは、多くの国の第1世代原子炉に典型的なものであった。[ 34 ]これらの設計はすべて、オンライン燃料交換として知られる短時間の燃焼後に燃料にアクセスできるようにすることに重点を置いていた。
北朝鮮による初の核実験である2006年の核実験でも、プルトニウムの根本源は北朝鮮の寧辺核科学研究センターで稼働しているマグノックス炉であったと言われている。この実験爆発は、低出力の不発爆発を引き起こし、同位体組成は非公開ながら、推定出力は約0.48キロトンであった[ 35 ] 。 2009年の北朝鮮の核実験も同様にプルトニウムに基づいていた[ 36 ] 。どちらもそれぞれ0.48～2.3キロトンのTNT換算出力を生み出し、どちらも低出力のため不発爆発と表現され、一部の評論家は、2006年の実験の低い出力推定値では、爆発は10万ドル相当の硝酸アンモニウムに相当するのではないかと推測している[ 37 ] [ 38 ]。
1962年の米英合同核実験の同位体組成は、原子炉級という記述以外には明らかにされておらず、この実験の材料を原子炉級と記述する際にどの定義が用いられたのかも明らかにされていない。[ 31 ]アレクサンダー・デヴォルピによれば、1962年の米英合同核実験で使用されたプルトニウムの同位体組成は、現在我々が原子炉級と考えるものではなかったはずであり、DOEは現在、プルトニウムが燃料級であったことを示唆しているが、断言はしていない。[ 14 ]同様に、世界原子力協会は、1962年の米英合同核実験には少なくとも85%のプルトニウム239が含まれており、これは稼働中の民生用原子炉の大部分から出る使用済み燃料に通常含まれる同位体濃度よりもはるかに高いと示唆している。[ 39 ]
2002年、IAEAの元事務局次長ブルーノ・ペローは、エネルギー省の声明は誤解を招くものであり、この実験はプルトニウム240含有量がわずか12％の現代の燃料級の定義に該当すると述べた[ 40 ]。
1997年、ベルファー科学国際問題センターの政治アナリスト、マシュー・バンと大統領技術顧問のジョン・ホルドレンは、プルトニウム処分に関する計画的代替案についての1990年代の米国公式評価を引用した。どのRGPUの定義が参照されているかは明記されていないものの、それでも「原子炉級プルトニウム（同位体組成は特定されていない）は、あらゆるレベルの技術的洗練度で核兵器の製造に使用できる」とし、「米国やロシアなどの先進核兵器国は、最新の設計を使用すれば、信頼性の高い爆発力、重量、および兵器級プルトニウムから作られた兵器と概ね同等の特性を持つ「原子炉級プルトニウム」から兵器を製造できる」と述べている[ 41 ]。
2008年の論文で、ケスラーらは熱解析を用いて、球形爆発レンズを備えたファットマンに似た「低技術」設計で30 GWd/tの燃焼値を持つ原子炉から得られる原子炉級プルトニウムを使用した仮想核爆発装置は「技術的に実現不可能」であり、「中技術」設計では55 GWd/tであると結論付けた。[ 42 ]
Kesslerらの基準によれば、経験豊富な核兵器国（NWS）が製造できる「ハイテク」仮想核爆発装置（HNED）は、発熱性同位体Pu-238を約9%以上含む原子炉級プルトニウムでは技術的に実現不可能である。[ 43 ] [ 44 ]
英国のマグノックス炉は、第1世代ガス冷却炉（GCR）設計であり、2～5 GWd / t Uを超える燃料燃焼度を生成できることはまれである。[ 45 ] [ 29 ]マグノックス炉設計は、発電所の商業用（発電用原子炉）と軍事用（生産用原子炉）の二重の役割を示すために、英国原子力公社（UKAEA）によってPIPPA （加圧式炉による発電およびプルトニウム生産）というコードネームが付けられた。マグノックス炉から排出されるPu-239の純度は、燃焼度に応じて約80%である。[ 30 ]
対照的に、例えば、一般的な民生用加圧水型原子炉の使用済み核燃料の同位体組成は、典型的な第2世代原子炉の45 GWd /tUの燃焼率に従うと、プルトニウムが1.11%で、そのうち0.56%がPu-239、0.28%がPu-240であり、これはPu-239含有量が50.5%、Pu-240含有量が25.2%に相当する。[ 46 ] 1989年に発表された、より低い一般的な燃焼率43,000 MWd /tの場合、原子炉の使用済み核燃料中のプルトニウム同位体のうち、プルトニウム-239含有量が53%であった。[ 6 ] 米国原子力規制委員会は、現在家庭に電力を供給している軽水炉の商用設備の平均燃焼度は1995年には約35 GWd/MTUであったが、2015年には平均が45 GWd/MTUに改善したと述べている。[ 47 ]
使用済み核燃料中に存在する奇数番号の核分裂性プルトニウム同位体（Pu-239など）は、燃焼度が高くなるにつれて、全プルトニウム同位体の総組成に対する割合（上記の最初の例では1.11%）として大幅に減少する一方、偶数番号の非核分裂性プルトニウム同位体（Pu-238、Pu-240 、 Pu-242など）は、時間の経過とともに燃料中に蓄積されていく。[ 48 ]
発電用原子炉技術が発展するにつれて、燃料効率を高め、同時に停止時間を可能な限り短縮することで使用済み核燃料の量を減らし、核分裂発電所からの発電の経済的実現可能性を高めることが目標の一つとなっています。この目的のために、米国の原子炉は、1970年代の20～25 GWd/ MT Uから2000年代には45 GWd/ MT Uを超える平均燃焼率へと倍増しました。[ 29 ] [ 49 ]建設中の第3世代原子炉は、設計燃焼率が60 GWd/tUの範囲で、約2年に1回燃料交換が必要です。例えば、欧州加圧水型原子炉は設計燃焼率が65 GWd/t、[ 50 ] AP1000は設計平均放電燃焼率が52.8 GWd/t、最大燃焼率が59.5 GWd/tです。[ 50 ]設計中の第4世代原子炉は、さらに高い燃焼率を持つことになるだろう。
今日の減速炉/熱中性子炉は主にワンススルー燃料サイクルで稼働していますが、混合酸化物またはMOX燃料の形でワンススルー原子炉級プルトニウムを限定的に再利用することができ、これは核分裂の持続可能性を高め、高レベル放射性廃棄物の量を減らすため、米国以外のほとんどの国で日常的な商業慣行となっています。[ 54 ]
熱中性子炉の実用燃料寿命末期におけるエネルギー/核分裂の3分の1はプルトニウム由来であり、サイクルの終了は原子炉内の中性子経済を駆動する主燃料であるウラン235の割合が低下したときに発生し、その低下により新しい燃料が必要となるため、設計変更なしで、新しい燃料装荷の核分裂性燃料の3分の1を原子炉級プルトニウムにすることができ、連鎖反応を新たに継続するために追加する必要のある低濃縮ウランの3分の1を減らすことができ、部分的なリサイクルが実現する。[ 55 ]
典型的な原子炉級プルトニウム5.3%含有のMOX燃料集合体は、フランスの熱中性子炉で一般的な方法である再燃焼によって、同位体組成が40.8%の239の二度燃焼した原子炉級プルトニウムに核変換される。Puと30.6% 240サイクル終了時のPu (EOC)。 [ 56 ] [注2 ] MOXグレードプルトニウム（MGPu）は一般的に30%以上の240を含むものと定義される。Pu . [ 1 ]
熱中性子スペクトルではプルトニウムの奇数質量同位体のみが核分裂性であり、偶数質量同位体はすべての高熱スペクトル燃焼シナリオで蓄積されるため、高速炉とは対照的に、熱中性子スペクトルではリサイクル回数に制限がある。偶数質量同位体であるプルトニウム240は、熱中性子スペクトルではウラン238のような増殖性物質であり、中性子捕獲により核分裂性プルトニウム241になる。しかし、偶数質量プルトニウム242は熱スペクトル内で中性子捕獲断面積が低いだけでなく、核分裂性核種になるには3回の中性子捕獲が必要となる。[ 55 ]
ほとんどの熱中性子炉は、原子炉設計が熱中性子スペクトルの制限内で動作するため、核安定性の理由から、MOX燃料を総燃料負荷の半分以下に制限する必要がありますが、高速中性子炉は、任意の同位体組成のプルトニウムを使用でき、完全にリサイクルされたプルトニウムで動作し、高速「バーナー」モードまたは燃料サイクルで核分裂を起こし、それによって世界のワンススルー使用済み燃料備蓄に存在するすべてのプルトニウムを消去することができます。[ 57 ] S-PRISMコンセプトおよび安定塩原子炉コンセプト として知られる近代化されたIFR設計は、世界最大の民間燃料グレード/「原子炉グレードプルトニウム」備蓄を生成するマグノックス原子炉群の運転によって生成された英国のプルトニウム備蓄を燃焼/消去するために提案されている2つの高速原子炉です。[ 58 ]
兵器級核物質の「魅力度」に関するバスケの方程式では、計算によって得られる性能指数（FOM）は、ナトリウム高速増殖炉は望ましい拡散抵抗レベルに達する可能性が低い一方、溶融塩増殖炉はそれに達する可能性が高いことを示唆している。[ 59 ]
高速増殖炉サイクル、または高速増殖モードでは、高速燃焼炉とは対照的に、フランスのフェニックス原子炉は、原子炉級プルトニウムの多重リサイクルと再利用を独自に実証しました。[ 60 ]同様の原子炉概念と燃料サイクル、中でも最もよく知られているのはインテグラル高速炉であり、100億人の世界に電力を供給しながらも環境負荷を小さく保ち、「惑星規模の持続可能性」を現実的に達成できる数少ないものの1つと考えられています。[ 61 ]そのため、増殖モードでは、高速炉は再生可能または持続可能な原子力エネルギーの一形態として提案されることがよくあります。しかし、それが生み出すであろう「原子炉級」プルトニウム経済は、現在、社会的な嫌悪感と、拡散の可能性に関するさまざまな議論を一般の人々の意識に引き起こしています。
一般的にヨーロッパの民生用熱中性子炉に見られるように、使用済み核燃料となる前に33 GWd/tの発電能力を持っていた初期燃料集合体を従来の湿式化学/PUREX再処理によって製造された5.3%プルトニウムMOX燃料集合体は、熱中性子炉で燃焼されると、プルトニウム同位体組成が40.8%の使用済み核燃料となる。Puと30.6% 240Pu . [ 56 ] [注 2 ]
計算によると、 240の場合、核爆発のエネルギー収量は2桁減少する。プルトニウム含有量は25％（0.2キロトン）に増加する。[ 12 ]
主に原子炉級プルトニウムを同じ、あるいはより高性能な原子炉群に再利用する再処理は、1960年代に米国で計画された。当時、ウラン市場は混雑し供給が逼迫すると予想されていたため、燃料のリサイクルと併せて、限られた既知のウラン資源を効率的に利用するために、より効率的な高速増殖炉が喫緊に必要とされていた。しかし、需要予測の低下とウラン鉱石の発見増加に伴い、時が経つにつれてこの必要性は薄れていった。こうした経済的な理由から、商業的には、リサイクル燃料よりも新規燃料の使用、あるいは新規燃料のみに依存する方が安価であった。
1977年、カーター政権は、米国内で核兵器拡散につながるとの認識があったため、国際的な模範を示す目的で、使用済み燃料の再処理を禁止した。[ 62 ]この決定は物議を醸し続け、多くの米国の物理学者や技術者からは根本的に誤りであると見なされている。中止されたプログラムや、提案された代替案であるユッカマウンテン核廃棄物貯蔵施設への10億ドルを超える投資により、米国の納税者と米国の原子炉事業者が生み出した資金が無駄になり、抗議、訴訟、そして新大統領の意見に応じて何度も中断と再開の決定が繰り返された。[ 63 ] [ 64 ]
兵器製造の観点から「望ましくない」汚染物質として、240プルトニウムは、239よりも速く崩壊する。プルトニウム( Pu)とプルトニウム(Pu )の半減期はそれぞれ6500年と24000年であり、プルトニウムの品質は時間とともに向上する（ただし、その間に総量は減少する）。そのため、物理学者や技術者は、数百年、数千年が経過するにつれて、高速炉の「燃焼」や、世界中の原子炉群からプルトニウムをすべて燃焼し尽くすまでリサイクルする代替案、最も頻繁に提案されている燃焼の代替案である深地層処分場（オンカロ使用済み核燃料処分場など）が「プルトニウム鉱山」になる可能性があり、そこから数世紀から数千年の間に、単純なPUREX抽出によって核兵器用の兵器級物質を入手できる可能性があると指摘している。 [ 67 ] [ 22 ] [ 68 ]
サリンやVX神経ガスの開発に成功したオウム真理教は、核兵器を開発したり盗んだりする技術的専門知識が欠けていたと考えられている。同様に、アルカイダは放射性廃棄物やその他の非兵器級物質の販売に関わる数々の詐欺に遭った。ランド研究所は、度重なる失敗と詐欺の経験が、テロリストたちが核兵器の入手は困難で費用がかかりすぎるため追求する価値がないと結論づけるに至った可能性があると示唆した。[ 69 ]
{{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク)240Pu含有量が5%（ほぼ兵器級プルトニウム）から15%および25%に増加すると、核爆発のエネルギー収量はそれぞれ1桁および2桁減少します。
{{cite web}}:|author=一般的な名前を持っています (ヘルプ){{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）国際安全保障軍備管理委員会（CISAC）の出版物で説明されているように、
軽水炉
使用済み燃料の
再処理
によって得られる原子炉級プルトニウムは、高性能かつ高信頼性の核兵器の製造に容易に利用できることは疑いの余地がない。