核燃料サイクルと濃縮度

核燃料サイクルとは、原子力発電に用いるウラン燃料を、採掘、精錬、転換、濃縮、燃料加工、原子炉での利用、使用済燃料の再処理、廃棄に至るまでの一連の工程として捉える枠組みの総称である。使用済燃料から再び利用できる物質を取り出す点に、この枠組みの特徴がある。核燃料サイクルの中で燃料の性能を左右する基礎の数値が濃縮度であり、濃縮度は燃料の製造と供給の計画を決める。本節では、濃縮度の定義を確認したうえで、濃縮工程と再処理工程がそれぞれ果たす役割を整理する。

濃縮度の定義と天然ウラン

濃縮度とは、ウラン全体の質量のうち核分裂性のウラン235が占める質量の割合である。天然ウランに含まれるウラン235の割合は約0.7%であり、残りの大部分はウラン238である。

濃縮度は、次の式のとおり、ウラン235の質量をウラン全体の質量で割った値として表される。

濃縮度 = ウラン235の質量 ÷ ウラン全体の質量

濃縮度が天然ウランの値より高いウランを濃縮ウランと呼び、天然ウランの値より低いウランを劣化ウランと呼ぶ。劣化ウランは、濃縮工程でウラン235を取り除いた後に残る副産物であり、天然ウランよりウラン235の割合が低い。ウラン235の割合が高いほど核分裂連鎖反応を維持しやすくなるが、必要な濃縮の程度は燃料を用いる炉の型式によって異なる。

濃縮工程と原子炉の燃料

軽水炉で用いる燃料は、天然ウランをそのまま用いるのではなく、ウラン235の割合を高めた濃縮ウランを用いる。濃縮工程では、天然ウランを六フッ化ウランの気体に変えたうえで、ウラン235とウラン238の質量のわずかな差を利用して両者を分離する。濃縮の作業量は、分離作業単位であるSWUで表すのが一般的である。

濃縮された六フッ化ウランは、その後の燃料加工工程で二酸化ウランの粉末に変えられ、焼き固められてペレットになる。ペレットは燃料棒に収められ、燃料集合体として原子炉に装荷される。濃縮度は、この燃料加工の段階で仕様として定められ、原子炉の設計と燃料の交換周期に影響する。