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高速増殖炉(こうそくぞうしょくろ Fast Breeder Reactor:FBR)とは、

高速中性子による核分裂連鎖反応を用いたのことをいう。

高速増殖炉の燃料転換率は、理論的には1.24〜1.29程度と考えられておりもんじゅの場合は約1.2である[外部リンク] 原子力のすべて 「原子力のすべて」編集委員会 編。

なお、高速中性子を利用しながら核燃料の増殖を行わない原子炉も存在する。これは単に高速炉(Fast Reactor:FR)と呼ばれる。

◆概要

原子炉で使用される前のMOX燃料は、燃料となるプルトニウム239とウラン235が微量と、あとは核分裂をほとんど起こさないウラン238で占められている。高速増殖炉は、この内ウラン238をプルトニウム239に転換するのに適した原子炉で、プルトニウムの燃焼による発電をしながら、燃料を使用前以上に増やすことが出来る原子炉である。(もちろんすべてのウラン238がプルトニウム239に転換され尽くし、それが燃え尽きると終わりである)

通常、軽水炉では燃料棒中のウラン235を熱中性子により核分裂させ、エネルギーを生成する。このとき消費したウラン235以上にプルトニウムが生成されることはなく、燃料棒中の核燃料は減少する。これは、熱中性子は高速中性子よりもウラン235やプルトニウムの核分裂を誘起しやすいが、燃料棒中のウラン238に捕獲されてプルトニウム239を生成する確率が低いためである。逆に高速中性子はウラン235やプルトニウムの核分裂を誘起しにくいが、ウラン238に捕獲されてプルトニウム239を生成する確率が高い。この性質を利用して、消費した燃料以上のプルトニウムを生成するように設計されたものが高速増殖炉である。高速増殖炉の「高速」は、利用する中性子が高速中性子であることに由来する。高速増殖炉では、ウラン238をプルトニウムに転換させるため、ウラン資源を事実上数十倍にできる。このため「夢の原子炉」と言われ、日本、フランス、中国など国内でのエネルギー使用量に比べ資源が少なく、エネルギー使用量の多い国で開発が推進されている。

炉心を冷却し熱エネルギーを取り出す冷却材として、軽水炉では中性子の減速材を兼ねて軽水を利用するのに対し、高速増殖炉では、高速中性子を減速させないように加熱溶融した液体金属(主に金属ナトリウム)を使用する。

しかし高速増殖炉も良い点ばかりではなく、軽水炉にはない様々な問題点も含んでいる。冷却剤として使用される金属ナトリウムは酸化されやすく、空気に触れると発火し、水に触れると爆発をする。しかも、軽水は透明だが金属ナトリウムは不透明であり、これを用いると内部状態の計測が難しくなる。このため、危険性が高く管理には高度な技術が必要になる。それに加えて、通常の原子炉よりも費用がかかること、現在開発中の高速増殖炉の多くが何らかの事故を起こしていることなど、経済性や安全面、政治的な問題から開発を断念する国が少なくない。日本でも、高速増殖炉原型炉もんじゅで金属ナトリウム漏洩事故が起こって以来、高速増殖炉開発および、プルサーマル計画は中断されたままである。また、ウラン燃料は、ウラン235の半減期が約7億年と長いことから通常状態において殆ど放射線を出さないのに対し、プルトニウムを含む燃料は、プルトニウム239の半減期が約2万4千年とウラン235と比較して非常に短いため放射能が極めて強く、プルトニウムの使用やプルトニウムの海上輸送に対する反発の声が高まっている。そのため、高速増殖炉の開発は一層困難な状況にあるとも言われる。さらには、高速増殖炉は核兵器に転用可能なプルトニウムを生成する(軽水炉の使用済み核燃料にはプルトニウム240が含まれるため兵器用プルトニウムがほとんど抽出できないのに対し、高速増殖炉のブランケット燃料からプルトニウムを効率よく増殖させた場合プルトニウム240の生成が少ないため核兵器転用可能)こともあり、政治的な問題すらも引き起こしかねない。

一方、アメリカは2006年2月に核燃料サイクル計画「GNEP: Global Nuclear Energy Partnership」を開始[外部リンク] GNEP。核燃料サイクルとともに高速増殖炉の技術開発推進の立場に転じた。このプロジェクトには2008年1月1日時点で、日本を含む19ヶ国が参加を決定している19ヶ国の内訳はアメリカ、台湾、フランス、日本、ロシア、オーストラリア、ブルガリア、ガーナ、ハンガリー、ヨルダン、カザフスタン、リトアニア、ポーランド、ルーマニア、スロヴェニア、ウクライナ、イタリア、カナダ、韓国。。またこのプロジェクトによる高速増殖炉の実験炉と核燃料再処理施設建設の発注予定先として交渉相手に選ばれているのは三菱重工、日本原燃、アレバの3社である[外部リンク] 三菱重工業は米国エネルギー省(DOE)と原子力GNEP計画の契約を締結[外部リンク] 三菱重工と日本原燃 高速炉、米で合併 仏アレバと国際標準狙い。

◆ 特徴

・ 核分裂を起こしやすいウラン235は天然に存在するウランの0.7%程度にしか過ぎず、約99.3%は核分裂をほとんど起こさないウラン238であるため、エネルギー源として利用できるウランは、ウラン資源の1%にも満たないことになる。しかし高速増殖炉によってウラン238をプルトニウムに転換することができれば、核燃料サイクルが実現し、理論上ウラン資源の約60%をエネルギーとして使用することが出来るため、ウランの利用効率を飛躍的に高くすることが出来ると考えられる。

・ MOX燃料を使う事が出来る。

・ 軽水炉と違い、プルトニウムをそのまま使用できるため、核兵器解体後のプルトニウムの焼却にも使用できる。

・ ウランの濃縮が必要ない。

・ 炉心が小型にでき、出力密度が高い。

・ 冷却材として使用される金属ナトリウムは沸点が高いため、軽水のように高圧を掛ける必要が無く、常圧で運転することが可能である。このことは、冷却材の減圧による沸騰を原因とする冷却材喪失事故(LOCA:Loss Of Coolant Accident)がほぼ起きないことを意味しており、同時にその事故に備えるための非常用炉心冷却装置(ECCS:Emergency Core Cooling System)も必要のないことを意味している。

◆FBRの構成要素

・燃料

・:MOX燃料(プルトニウムとウランを混合した核燃料)。なおプルトニウムの混合割合を「富化度」といい、高速増殖炉ではこの割合を20%〜30%とする。また、軽水炉と違い、炉には高速中性子による増殖を行うための燃料を配置する。これをブランケット燃料という。

・冷却材

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