原子炉級プルトニウム

原子炉級プルトニウム（RGPu）^{[1] [2]は、原子力}発電所の原子炉で使用されるウラン235の主燃料が燃え尽きた後の使用済み核燃料中に存在するプルトニウムの同位体グレードです。中性子捕獲によってプルトニウム同位体の大部分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U-235とともに存在します。

兵器級プルトニウム（WGPu/ ²³⁹ Pu ）の製造に通常必要とされる数週間または数か月の低い燃焼とは対照的に、原子炉級プルトニウムを製造する原子炉内での長い時間により、核分裂性があり、比較的半減期の長い同位体である²³⁹ Puの多くが、核分裂性が低い、または放射能が高い他のプルトニウム同位体に変換されます。²³⁹
Puは中性子を吸収しますが、必ずしも核分裂を起こすわけではありません。中性子吸収によって代わりに²⁴⁰
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Puの濃度は、²⁴⁰
Pu は照射期間が長くなるにつれて着実に増加し、時間の経過とともにますます低品位のプルトニウムが生成されます。

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燃料として限られた範囲でのみ、また2サイクルのみで再利用できる。現在稼働中の高速中性子炉はわずか数基で、建設中のものは6基あるが、原子炉級プルトニウム燃料を使用して、使用済み核燃料/核廃棄物の超ウラン含有量を減らすことができる。ロシアはまた、1％以下の濃度の原子炉級プルトニウムを、高燃焼度燃料の1％プルトニウムレベルを模倣した新しいウラン燃料または再濃縮ウラン燃料に直接リサイクルする新しいタイプ のリミックス燃料も製造した。

戦時中の生産原子炉でプルトニウム239が工業規模で生産され始めた当初、微量の汚染またはプルトニウム240の同時生成が最初に観察され、これらの微量が原因でシンマン兵器の設計は実行不可能と判断されました。^{[3]純度の違い、つまりその量は、}核拡散と兵器の有用性の観点から重要性を評価する上で引き続き重要です。

1976 年に、 DOEによる原子炉級 プルトニウムの定義が変更されました。それ以前は、3 つの等級が認められていました。原子炉級の定義が、 1976 年以前は Pu-240含有量が 7% を超えるプルトニウムを指していたのに対し、原子炉級はPu-240 含有量が 19% 以上であると定義されるようになったのは、1962 年の「原子炉級核実験」に関する情報が 1977 年に公開されたことと同時期です。1962 年の「原子炉級」実験に、古い方式と新しい方式のどちらの定義または指定が適用されるかという問題は、公式には明らかにされていません。

• 超兵器級、 Pu-240 3%未満、
• 兵器級、Pu-240が7%未満、
• 原子炉グレード、Pu-240 7%以上。

1976 年からは 4 つの等級が認められました。

• 超兵器級、 Pu-240 3%未満
• 兵器級、Pu-240 7%未満、
• 燃料グレード、7%～19% Pu-240および
• 原子炉級、Pu-240含有量19%以上。^[4]

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LWR（例としてPWRまたはBWR）の使用済み燃料を再処理またはリサイクルすると、燃料グレードではなく、原子炉グレードのプルトニウム（1976年以降の定義）が回収されます。^{[5] [6]}

原子炉級プルトニウムの同位体の物理的混合は取り扱いと形成を極めて困難にし、そのため、厚い手袋で比較的安全に取り扱うことができる兵器級プルトニウムとは対照的に、兵器製造物質としては望ましくない。^[4]

兵器級プルトニウムを製造するには、ウラン核燃料を炉心内で数週間以上放置し、燃料燃焼率を低く抑えなければならない。これを加圧水型原子炉（発電用原子炉の最も一般的な設計）で行うには、燃料を注入した直後に原子炉を早期に冷温停止させる必要がある。つまり、原子炉の崩壊熱を冷却し、原子炉圧力容器を減圧し、続いて燃料棒から燃料を取り出す必要がある。このような操作が行われた場合、簡単に検出され、^{[4] [1]}非常に高額な原子炉の改造が必要になる。^[7]

PWRでこのプロセスを検出する方法の 1 つの例は、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時間が発生することです。^[8]一方、「原子炉グレード」プルトニウムの最新の定義では、原子炉が高燃焼度で稼働し、高い発電容量係数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容量係数は他のすべてのエネルギー生成形式よりも高く、原子炉は約 90.3% の時間で電力を生成し、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補給のためでした。^[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、核兵器の製造において兵器級プルトニウムよりもどの程度有用でないかは議論の余地があり、多くの情報源は、最大可能理論収量はファットマン型装置における0.1 ～ 2キロトンの範囲の素早い爆発に近づくと主張しています。計算によると、核爆発のエネルギー収量は、240 Pu 含有量が 5% (ほぼ兵器級プルトニウム) から 15% (2 kt) および 25% (0.2 kt) にそれぞれ増加すると、1 桁および2桁減少します。^[12]これらの計算は理論的なものであり、非兵器用途のプルトニウム238の含有量が多いことによる熱発生に対処するという重要な問題を克服できると仮定している。プルトニウム240の自発核分裂による早期開始は、このような装置での爆発出力を低く抑えることになるので、即席核兵器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「気が遠くなるような」ハードルを提示すると説明されており、テロリストがこの爆発出力を達成する可能性は、設置されている安全装置では「誇張された」懸念と見なされている。^{[13] [7] [14] [15] [16] [17]}

理論的な理由で反対する者もおり、長期間の備蓄やミサイルへの搭載には適さないが、確実に高い非不発レベルの威力は達成できると述べている。^{[18] [19] [ 20] [21] [22] [23]彼らは、十分な資金を持ち、}核融合を促進する トリチウムと専門知識を持つ組織であれば、プルトニウム240の存在によって生じる事前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、高放射性のガンマ線を放出する爆弾の部品の組み立てに利用でき、貯蔵中に兵器ピットを冷却してピット内のプルトニウム装填物が溶解するのを防ぐ手段と、爆縮機構の高性能爆薬がピットの熱によって劣化しない設計を組み合わせることができると主張している。しかし、これらすべての主要な設計上の考慮事項を考慮しても、この核融合ブースト炉グレードのプルトニウム一次燃料は、一次燃料の核分裂成分が0.2キロトン以上の収量を達成できない場合は不発に終わる。この収量は、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ている。^[24]核分裂装置がこの閾値収量を達成できない確率は、燃料の燃焼値が増加するにつれて増加する。 ^[18]

公的に入手可能な情報からは、資金力のある組織が、現代の高燃焼度の原子炉級プルトニウムに類似した同位体組成を持つ核兵器の開発を真剣に追求したという証拠は得られていない。核兵器保有国はすべて、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、より従来的な核兵器への道を歩んできた。最も一般的な商用発電炉設計である加圧水型原子炉で生成される原子炉級プルトニウムの同位体含有量は、直接兵器用途として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保有する国は31カ国あり^[27] 、そのうち9カ国は核兵器を保有しており、ほぼすべての核兵器国が商業用原子力発電所ではなく、まず核兵器の生産を開始している。民生用原子力産業を軍事目的に転用することは、核拡散防止条約に違反することになる。

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、ある設計と別の設計を比較した場合の「原子炉級プルトニウム」とみなされる同位体比は大幅に異なる可能性がある。たとえば、第1世代ガス冷却原子炉（GCR）設計である英国のマグノックス原子炉は、2〜5 GWd / t Uを超える 燃料燃焼率を生み出すことはめったにない。^{[28] [29]}したがって、「原子炉級プルトニウム」と放出されたマグノックス原子炉からのPu-239の純度は、燃焼率の値に応じて約80％である。^[30]対照的に、一般的な民間の加圧水型原子炉では、通常（2015年の第2世代原子炉では典型的）45GWd  / tUの燃焼が行われ、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」に含まれる量よりもはるかに 多くの熱発生性Pu-238と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年に米国ネバダ州核実験場で行われた、非兵器級プルトニウムを使った「低出力（20キロトン以下）」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、米国における}核再処理を禁止するという大統領の決定の背景として、ジミー・カーター大統領の指示により、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生産され、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義務付けた政府機関であるUKAEAにおける当初のコードネームは、加圧炉発電・プルトニウム製造装置（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だけでなく、燃料の「燃焼度」が低い状態で運転される場合は、英国の初期の核兵器計画のためのプルトニウム239の製造装置としても設計された。^[33]冷戦初期に生産炉として運転できる電力発電炉を建設するというこの意図的な二重用途のアプローチは、多くの国の第1世代原子炉に典型的であった。^[34]これらはすべて、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焦点を当てた設計であり、これはオンライン燃料交換として知られている。

2006年の北朝鮮の核実験は、朝鮮民主主義人民共和国による初の核実験であり、プルトニウムの供給源として北朝鮮の寧辺核科学研究センターで稼働していたマグノックス原子炉が使われたとも言われている。この実験では低出力の不発弾爆発が起こり、推定出力は約0.48キロトンであった^[35]。同位体組成は公表されていない。2009年の北朝鮮の核実験もプルトニウムが使用された^[36] 。どちらも出力はそれぞれTNT換算で0.48～2.3キロトンで、出力が低いことから不発弾爆発と表現され、2006年の実験の低出力推定値では、爆発は10万米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する評論家もいる^[37]。^[38]

1962年の米英核実験の同位体組成も同様に、 「原子炉級」という記述以外は明らかにされておらず、この実験の物質を「原子炉級」と記述する際にどの定義が使用されたのかも明らかにされていない。^[31]アレクサンダー・デボルピによれば、1962年の米英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みなすものではなかったはずであり、エネルギー省は現在、プルトニウムが燃料級であったことを示唆しているが、断言してはいない。^[14]同様に、世界原子力協会は、 1962年の米英核実験には少なくとも85%のプルトニウム239が含まれていたと示唆している。これは、稼働中の民間原子炉の大部分の使用済み燃料に通常存在する同位体濃度よりもはるかに高い。^[39]

2002年にIAEA元副事務局長のブルーノ・ペローは、エネルギー省の声明は誤解を招くものであり、この試験はプルトニウム240含有量がわずか12%の燃料グレードの現代的な定義を満たすものであると述べた^[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・ホールドレンは、1990年代の米国によるプルトニウム処分の代替案に関する公式評価を引用した。どのRGPu定義を参照しているかは明記されていないが、「原子炉級プルトニウム（同位体組成は不特定）は、あらゆる技術的洗練度の核兵器の製造に使用できる」と述べ、「米国やロシアなどの先進核兵器国は、最新の設計を使用して、「原子炉級プルトニウム」から、兵器級プルトニウムから作られた兵器と概ね同等の信頼性の高い爆発力、重量、その他の特性を持つ兵器を製造できる」としている^[41]。

2008年の論文で、ケスラーらは熱分析を用いて、球状爆薬レンズを備えたファットマンに似た「低技術」設計で燃焼値が30GWd/t、または「中技術」設計で55GWd/tの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的な核爆発装置は「技術的に実現不可能」であると結論付けた。^[42]

ケスラーらの基準によれば、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、熱を発生するPu-238同位体を約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 燃料燃焼率を生み出すことはめったにありません。^{[45] [29]}マグノックス炉の設計は、UKAEAによってPIPPA（加圧発電炉とプルトニウム製造炉）というコード名が付けられ、このプラントの商業用（発電炉）と軍事用（生産炉）の二重の役割を示しています。排出されたマグノックス炉からのPu-239の純度は、燃焼値に応じて約80％です。^[30]

対照的に、例えば、一般的な民間の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世代原子炉の燃焼率45  GWd / tUに従って、1.11%のプルトニウム、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%に相当します。^{[46] 1989年に発表された43,000} MWd / tのより低い一般的な燃焼率の場合、プルトニウム239含有量は原子炉の使用済み核燃料中のすべてのプルトニウム同位体の53%でした。^[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商用軽水炉の平均燃焼度は1995年に約35GWd/MTUであったが、 2015年には平均が45GWd/MTUに向上したと述べている。^[47]

使用済み核燃料中に存在するPu-239などの奇数番号の核分裂性プルトニウム同位体は、燃焼度が上がるにつれて、すべての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％）として大幅に減少しますが、偶数番号の非核分裂性プルトニウム同位体（例：Pu-238、Pu-240、Pu-242）は時間の経過とともに燃料中に蓄積されます。^[48]

発電用原子炉の技術が発展するにつれ、燃料効率を高めて使用済み核燃料の量を減らし、同時に停止時間を可能な限り短縮して、核分裂発電所で発電された電力の経済的実現可能性を高めることが目標の1つとなっている。この目的のため、米国の原子炉は平均燃焼率を1970年代の20～25GWd/ MT Uから2000年代には45GWd/ MT U以上に倍増させた。 ^{[29] [49]建設中の} 第3世代原子炉は、設計上の燃焼率が60GWd/tUの範囲で、約2年に1回の燃料交換が必要である。例えば、欧州加圧水型原子炉の設計上の燃焼率は65GWd/tであり、^[50] AP1000の設計上の平均排出燃焼率は52.8GWd/t、最大燃焼率は59.5GWd/tである。^[50]設計中の第4世代原子炉では燃焼率がさらに高く なります。

今日の減速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るが、ワンススルー炉グレードのプルトニウムを混合酸化物またはMOX燃料の形で限定的に再利用することができる。これは、核分裂の持続性を高め、高レベル核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に行われている商業的慣行である。^[54]

熱中性子炉の実質的な燃料寿命の終わりには、エネルギー/核分裂の3分の1がプルトニウムから生じ、サイクルの終わりは、原子炉内の中性子経済を駆動する主要な燃料であるU-235の割合が低下したときに起こり、この低下により新しい燃料が必要になるため、設計変更を行わずに、新しい燃料負荷の核分裂性燃料の3分の1を核分裂性原子炉グレードの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必要な低濃縮ウランの量が3分の1少なくなり、部分的なリサイクルが達成されます。^[55]

典型的な5.3％の原子炉級プルトニウムMOX燃料束は、フランスの熱中性子炉で典型的な方法である再燃焼時に、同位体組成が40.8％の2回通過原子炉級プルトニウムに変換されます。²³⁹
プ
30.6%²⁴⁰
プ
サイクル終了時（EOC）にMOXグレードプルトニウム（MGPu）は、通常、30％以上のプルトニウムを含むものと定義され^ます。240
プ
^[1 ]

高速炉とは異なり、熱中性子炉ではリサイクル回数に制限がある。これは、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るため、すべての高熱スペクトル燃焼シナリオで偶数質量同位体が蓄積されるためである。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内ではウラン238と同様に核分裂性核種であり、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までに3回の中性子捕獲が必要である。^[55]

ほとんどの熱中性子炉は、中性子の熱スペクトルの制限内で作動する原子炉設計のため、核安定性の理由から、MOX燃料を全燃料負荷の半分未満に制限する必要があるが、その一方で高速中性子炉は、あらゆる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作動し、高速「バーナー」モード、つまり燃料サイクルで核分裂し、それによって世界中のワンススルー使用済み燃料の備蓄にあるすべてのプルトニウムをなくすことができる。^[57] S-PRISMコンセプトと安定塩炉コンセプト として知られる近代化されたIFR設計は、世界最大の燃料グレード/「原子炉グレードプルトニウム」の民間備蓄を生産するマグノックス原子炉群の運用から生じた英国のプルトニウム備蓄を燃やし/なくすために提案されている2つの高速原子炉である。^[58]

兵器級核物質の「魅力レベル」に関するバトケの方程式では、計算によって生成される性能指数（FOM）は、ナトリウム高速増殖炉が望ましい核拡散抵抗レベルに到達する可能性は低いが、溶融塩増殖炉はそれを達成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において、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た。^[60]同様の原子炉コンセプトと燃料サイクル、最もよく知られているのはインテグラル高速炉であり、環境への影響を小さく抑えながら、100億人の世界に電力を供給する「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つと見なされている。^{[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多い。しかし、それが生み出す「[原子炉級]プルトニウム経済」は、現在、一般の人々の考え方に社会的嫌悪と拡散の可能性に関するさまざまな議論をもたらしている。

欧州の民間の熱中性子炉で一般的に見られるように、使用済み核燃料になる前に33GWd/tを生成した初期燃料集合体を従来の湿式化学/PUREX再処理して生成された5.3%プルトニウムMOX燃料バンドルは、それ自体が熱中性子炉で燃焼すると、プルトニウム同位体組成が40.8%の使用済み核燃料を生成します。²³⁹
プ
30.6%²⁴⁰
プ
^[56] [^{注 2]}

計算によれば、核爆発のエネルギー収量は、²⁴⁰
プ
含有量は25%（0.2 kt）に増加する。^[12]

再処理は、主に原子炉級プルトニウムを同じ原子炉またはより先進的な原子炉群にリサイクルする形をとり、1960年代に米国で計画されました。当時、ウラン市場は混雑し、供給が逼迫することが予想されていたため、リサイクル燃料とともに、既知の限られたウラン供給を効率的に使用するために、より効率的な高速増殖炉が早急に必要であると考えられていました。時間の経過とともに、需要予測の減少とウラン鉱石の発見の増加により、この緊急性は低下しました。これらの経済的な理由により、新鮮な燃料と完全に新鮮な燃料への依存は、リサイクルよりも商業的に安価のままでした。

1977年、カーター政権は、使用済み燃料の再処理を禁止した。これは、米国内では核兵器拡散につながるとの認識があったため、国際的な模範となるためであった。^[62]この決定は物議を醸し続けており、多くの米国の物理学者や技術者は、この決定は根本的に誤りであると考えている。米国の納税者と米国の原子炉事業者が集めた資金が無駄になり、計画は中止され、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所への10億ドルを超える投資は、抗議活動、訴訟、そして新大統領の意見による度重なる中止と再開の決定に終わった。^{[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
、より速く崩壊する²³⁹
プ
半減期がそれぞれ6500年と24,000年であるプルトニウムの品質は、時間とともに向上する（ただし、その総量もその期間中に減少する）。したがって、物理学者と技術者は、数百年/数千年が経過すると、世界中の原子炉からプルトニウムをすべて燃やし尽くすまで高速炉で「燃焼」または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オンカロ使用済み核燃料貯蔵所などの深地層処分場が、今後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が得られる「プルトニウム鉱山」になる可能性があることを指摘している。 ^{[67] [22] [68]}

サリンと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を欠い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多くの詐欺にさらされていた。ランド研究所は、彼らが何度も失敗と詐欺に遭った経験から、核兵器の取得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テロリストが結論づけた可能性があると示唆した。^[69]

• ウラン水素化物爆弾- 約0.2キロトンの威力を発揮

• 原子炉級プルトニウムは強力で信頼性の高い核兵器の製造に使用できる、FAS、リチャード・ガーウィン、CFR、議会証言、1998年
• 核爆発物に含まれる原子炉級および兵器級プルトニウム、カナダ核責任連合
• 核兵器と動力炉プルトニウム、アモリー・B・ロビンズ、1980年2月28日、ネイチャー、第283巻、第5750号、pp.817-823
• ガーウィン、リチャード L. (1999-06-15)。「核燃料サイクル: 再処理は意味があるか?」B. ファン デル ズワーン (編) 著。核エネルギー。ワールド サイエンティフィック。p. 144。ISBN 978-981-02-4011-0しかし、 1994 年の国際安全保障及び軍備管理委員会 (CISAC) の出版物で説明されているように、軽水炉の使用済み燃料の再処理から得られる原子炉級プルトニウムは、高性能で信頼性の高い核兵器の製造に容易に使用できることは間違いありません。
• 原子炉級プルトニウムの地下核実験に関する追加情報
• 使用済み燃料から爆弾を作れない理由
• プルトニウム同位体 - 核不拡散と保障措置の問題 2015-04-08 にWayback Machineにアーカイブ
• エネルギー源としてのプルトニウム、アルジュン・マキジャニ、エネルギー環境研究所