最新の原子炉はコンクリートに関する新たな知見から恩恵を受ける可能性がある

建設において最も重要な材料はコンクリートです。耐久性があり、多用途で、強度も高いです。 コンクリートは長年にわたり安定し、さまざまな形状やサイズに成形でき、過酷な気象条件にも耐えることができ、しかし、振動や衝撃にも耐え、燃えにくく、低コストで、建物内部の快適な温度を保つのにも役立ちます。

これらすべての驚くべき特性により、コンクリートは道路、橋、ダム、トンネル、基礎、柱、壁、スラブ、車道、パティオなど、さまざまな構造物の建設に利用される貴重な材料となっています。

コンクリートの重要性を考えると、コンクリート市場の規模はこの10年の終わりまでに $9720億 を超えると予測されています。

急速な都市化と産業化、そしてインフラの開発・再建に対する政府支出の増加がこの成長を牽引しています。環境に優しい材料の採用が進む一方で、プラントの初期設置コストの高さが市場の制約要因となっています。

コンクリートの種類で言えば、レディミックスコンクリート部門が市場を支配しています。この混合物はコスト効率が高く、現場で混合するのではなく、中央プラントでバッチ生産されます。一方、鉄筋コンクリート部門は用途面で市場をリードしています。

脱炭素達成に役立つコンクリート

現在、この重要で人気のある建設材料は、原子力発電所を通じた脱炭素達成にも役割を果たしています。このセメント・水・砂などの骨材からなる人工混合物は、実際に原子炉の容器とシールドの主要な建設材料として使用されています。

コンクリートは、ガンマ線と中性子に対する防護を提供する手頃な材料です。その含水率と高密度が、放射線シールドとして広く利用される理由です。

しかし、エンジニアが放射線防護のための最適なシールド厚さを決定する式を考案しても、放射線損傷の影響を考慮していません。そして、コンクリートの長期的な永続性は、これらの原子力発電所を安全に運転するために重要です。

放射線損傷プロセスはまだ十分に理解されていません。そのため、核エネルギーを活用して炭素ニュートラルな世界を実現したいのであれば、この課題を解決することが不可欠です。

原子力は低炭素エネルギー源であり、気候変動対策に貢献できます。天候に左右されず安定した電力供給が可能で、風力や太陽光といった再生可能エネルギーが抱える課題を補完します。原子力は太陽光や風力よりも安全とさえ評価されています。

さらに、原子力燃料はエネルギー密度が高く、占有面積が小さい上に、有害な排出がないため大気品質の保護にも寄与します。

原子力は世界の総エネルギー供給の重要な部分を占めており、世界電力の約12％を供給しています。欧州では電力需要の30％が原子力で賄われ、化石燃料が40％、残りは再生可能エネルギーが占めています。

一方、米国は世界最大の原子力発電国で、世界の原子力電力の 30％ を生産しています。2022年には同国の原子炉が 772 TWh、全電力供給の18％を発電しました。

多くの利点がある一方で、チェルノブイリや福島の事故は人々に不安をもたらしました。その結果、イタリアとドイツはすべての原子力発電所を永久に閉鎖しました。

しかし、クリーンで持続可能なエネルギーが必要であり、原子力がゼロエミッションのクリーンエネルギー源であることから、コスト効率、信頼性、安全性を向上させ、人々の不安を軽減し受容性を高める方法を見つけることが重要です。ここでコンクリートが重要な役割を果たします。

コンクリートが重要な材料である理由と、その欠点を克服する方法についてはこちらをご覧ください。

原子力エネルギーにおけるコンクリートの重要な役割

原子力施設は原子炉を主熱源として利用し、その熱で蒸気を生成し、蒸気タービンを回して発電機を駆動します。核分裂の固有の放射性により、原子炉コアを保護シェルで覆うことが極めて重要です。これにより放射線の拡散が抑制され、放射性物質が環境に放出されるのを防ぎます。

これらの原子炉容器はコンクリートで作られており、構造基礎や原子炉の一次生体シールドとしても使用されています。したがって、原子力施設を長期にわたって運転するには、コンクリート構造物の健全性解析を実施する必要があります。原子力発電所では、コンクリートはγ線照射、中性子放射、極高温という過酷な環境にさらされます。

これは従来の構造物が直面しない条件であり、一般的な土木構造物や建築物の評価では十分に対応できません。そのため、原子力産業特有の知識が必要です。

さらに、原子力発電所のコンクリート構造物の劣化を引き起こす材料変化という大きな課題があります。アルカリシリカ反応、膨張、遅延エトリンガイト形成は、骨材中の岩石形成鉱物が中性子によってアモルファス化することが原因です。したがって、原子力発電所におけるコンクリートの評価は特に必要です。

しかし、これは新しい課題ではありません。研究者は長年にわたり放射線がコンクリートの構造健全性に与える影響を調査してきましたが、新たな研究により放射線がコンクリートの膨張に与える影響の詳細が明らかになっています。

原子力プラントに焦点を当てた先進的コンクリート研究

Science Direct に掲載された、東京大学などの研究者による研究では、 放射線がコンクリートの膨張に与える影響の詳細が明らかにされました¹。研究者は、異なる中性子放射レベルに曝露された際に、どのコンクリート特性が構造特性に影響を与えるかを実証できました。

放射線による骨材膨張という重大な課題に対処するためには、特に石英などの岩石形成鉱物が中性子放射に対してどれだけ感受性があるかを理解することが極めて重要です。

これは、石英がほぼすべての岩石に含まれる最も一般的な鉱物の一つであるためです。研究用原子炉での実験では、石英は体積が最大18％まで膨張することが示されています。

最近の研究では、中性子照射下でセメントペーストは収縮し強度を増す一方で、岩石形成鉱物は膨張し、骨材内部に亀裂が発生すると指摘されています。これにより骨材の亀裂、コンクリートの膨張、剛性とヤング率の低下が起こり、材料が圧縮下で長さ変化に耐える能力が低下します。

そこで研究者は、砂岩、メタチャート、花崗閃長岩、合成石英など、さまざまな種類の石英に対する中性子照射効果を調査しました。照射温度は45〜62℃の範囲でした。

研究結果によると、特にコンクリート中の石英結晶は自己修復できることが分かりました。放射線誘起の体積膨張は、石英粒子内部のシリコン（Si）または酸素（O）の拡散により緩和され、放射線誘起の緩和が生じます。これにより、一部の原子炉は当初想定されたより長く稼働できる可能性があります。

3Dプリントコンクリートが環境保護に役立つかどうかはこちらで確認してください。

コンクリートで原子力安全性を向上させる

複合材料であるコンクリートは、地域の地理条件などに応じてさまざまな化合物から構成されます。主要成分である岩石骨材は非常に多様ですが、一般的に「岩石は石英を含む」ことが多いです。

石英は安山岩、花崗閃長岩（GR）、砂岩（SS）など多くの岩石に含まれ、これにより中性子照射下で骨材が膨張し、シールド壁や高中性子フラックスにさらされる構造物のコンクリートが劣化します。

このため、さまざまな放射線負荷下で石英がどのように変化するかを理解することが重要です。建築学部の丸山一平教授は次のように指摘しています：

「[それ]はコンクリートが一般的にどのように振る舞うかを予測するのに役立ちます。」

しかし、中性子放射による劣化の研究は容易でも安価でもありません。研究費が高額であるため、広範な研究が困難です。研究チームは過去17年間にわたり、X線回折を用いて照射された石英結晶を解析する実験を行ってきました。

チームが検討したのは、中性子放射の総線量とフラックス（線量が与えられる速度）の二つの特性です。

研究結果は、石英結晶の膨張速度は線量率に比例し、線量率が高いほど膨張量も大きく、逆もまた然りであることを示しました。

「フラックス効果の発見は、中性子放射が結晶構造を歪め、アモルファス化と膨張を引き起こすだけでなく、歪んだ結晶が回復し膨張が減少する現象があることを示しています。したがって、低いレートは回復に時間を与えることになります。」

– 丸山

この現象は、コンクリート内の鉱物結晶のサイズにも依存することが分かっています。結晶粒が大きいほど膨張が少なく、サイズ依存効果が示唆されます。 

中性子によるコンクリートの劣化は現在懸念事項ですが、研究結果は従来考えられていたよりも膨張が少ない可能性を示しています。その結果、劣化は予想よりも軽度であり、丸山は「原子力発電所がより長期間安全に稼働できるようになる」と述べています。

この研究により、将来の原子力発電所向けの材料選定とコンクリート設計に貢献することが目指されています。また、地球軌道やそれ以外の宇宙構造物に使用される無機材料の安定性と耐久性に関する貴重な洞察も提供できます。

次のステップでは、さまざまな岩石形成鉱物の膨張挙動の理解に取り組む予定です。これにより、膨張メカニズムをさらに明らかにし、骨材の材料特性と環境条件に基づいて膨張を予測できるようになるでしょう。

研究チームは、鉱物の膨張に基づいて亀裂がどのように発生するかを予測できるようになることも計画しています。

放射線シールドコンクリートの進化

有害な電離放射線からの保護においてコンクリートが果たす重要な役割は、医療施設、研究所、軍事施設、原子力発電所など多様な用途にわたります。そのため、材料は多くの研究対象となっています。

昨年の第4四半期に、国際的な研究者が放射線シールドコンクリート（RSC）に関する詳細な調査を行い、安全性確保と放射線利用の支援に不可欠であることが確認されました。

2024年11月に発表されたある 研究²では、セメント・水・高密度骨材からなる放射線シールドコンクリートは、重力荷重、地震力などの偶発荷重、竜巻による投射物を耐える能力があることが示されました。

RSCで主に使用される骨材はバライト、ヘマタイト、磁鉄鉱、コールマン石です。これらの高密度天然骨材を組み込むことで、材料の密度が上がり、医療・原子力分野でのシールド効果が向上します。

放射線を弱めるために鉄筋コンクリートの特性を改善した結果、RSCは放射線シールドと保護の典型的な選択肢となりました。

別の 研究³では、一般的なコンクリートとバライトコンクリートの放射線シールド効率を、さまざまな骨材を用いて向上させる方法が検討されました。

研究結果は、密度の高いコンクリートが低密度のものより優れた保護性能を示すことを示し、材料密度が放射線シールド効果を高める重要な要因であることを強調しています。ここで、バライトコンクリートは線形減衰係数が高く、エネルギービームを吸収・散乱しやすいことが示されました。

RSCの高密度化を実現するため、研究者は普通のコンクリート骨材を石英、ジルコニウムなどの重鉱物、フライアッシュ、さらには水酸化鉄鉱石、鉄くず、スズ尾鉱、ボーキサイト、方鉱、ビスマス酸化物、リサイクル骨材などに置き換えました。

高密度コンクリートを放射線シールドとして使用すると、普通のコンクリートに比べて厚さを約40％削減でき、荷重支持能力を維持できます。

これらの研究は、継続的な放射線曝露下でのコンクリートの長期耐久性に関するさらなる研究を求めています。長期間にわたる累積損傷の評価も含め、材料の時間経過に伴う性能変化をより深く理解する必要があります。

温度、湿度、化学物質曝露といった環境要因がコンクリートの放射線シールド特性に与える影響も、実環境をシミュレートしながら調査する必要があります。

関連企業 

では、コンクリートと原子力分野で注目すべき企業を見てみましょう。

1. Vulcan Materials Company

同社は骨材ベースの建設資材の製造業者で、レディミックスコンクリートやアスファルトの大手サプライヤーです。Vulcan Materials の事業部門は骨材、アスファルト、コンクリート、カルシウム製品（動物飼料や水処理向け）で構成されています。

時価総額は 358 億ドルで、VMC 株は 270.16 ドル（年初来 5.42％上昇）で取引されています。EPS（TTM）は 6.40、P/E（TTM）は 42.36、配当利回りは 0.68％です。

2024 年 9 月 30 日で終了した四半期の売上高は 20 億ドルで、前年同期比 8.3％減少しました。純利益は 2.089 億ドル、利益率は 10％、EPS は 1.58 ドルでした。同社は配当として 6100 万ドルを株主に還元しました。この期間中、Vulcan Materials は Wake Stone Corporation を買収し、カロライナ州での成長市場への展開を拡大しました。

「今年最初の 9 ヶ月間は大規模な天候障害が建設活動に影響を与えましたが、需要の基礎は依然として長期成長を支えています。」

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

同社は原子力、洪水、風力、太陽光発電施設を通じて、約 1600 万世帯に電力を供給するクリーンエネルギーソリューションに注力しています。米国の炭素フリーエネルギーの約 10％を生産しています。

時価総額は 958 億ドルで、CEG 株は 307.83 ドル（年初来約 37％上昇）で取引されています。EPS（TTM）は 9.06、P/E（TTM）は 33.81、配当利回りは 0.46％です。

2024 年第3四半期の売上高は 12 億ドルで、前年同期の 7.31 億ドルから増加しました。売上高は 7.2％増の 65.5 億ドルでした。GAAP 純利益は 1 株当たり 3.82 ドル、調整後営業利益は 1 株当たり 2.74 ドルでした。特筆すべきは、Constellation Energy (CEG ) が Microsoft (MSFT ) と 20 年間の電力購入契約を締結し、Crane Clean Energy Center を支援したことです。

同社の原子力フリートは本四半期に 45,510 GWh を生産し、前年同期の 44,125 GWh から増加しました。稼働率は 95％（前年同期 97.2％）に低下しました。計画された再燃料停止日数は 37 日に増加し、非再燃料停止日数は 20 日に倍増しました。

結論 

原子力エネルギーは高い信頼性と小さなフットプリントを備えた強力でクリーンなエネルギー源です。しかし、重大な原子力発電所事故が人々に恐怖を与えてきました。原子力発電所の安全性と長寿命の鍵は、建設に使用される材料、すなわち建物全体に使用されるコンクリートにあります。

コンクリートは比較的安価で頑丈かつ耐久性があり、さまざまな構造物に容易に打設でき、放射線に対する優れたシールド特性を持つため、放射線シールド用途で広く選ばれています。

放射線がコンクリートの構造健全性に与える影響を調査した研究は多数ありますが、最新の研究は放射線効果を検証し、この材料の保護能力に関するさらなる明確さを提供しています。

例えば、フラックス依存性が明確に観測され、より高い中性子フラックスが膨張率を高め、粒径依存性が特に高フラックス領域で示されたことは、放射線誘起体積膨張の背後に自己修復メカニズムが存在することを示唆しています。

このような知見により、研究は既存の原子炉の安全性を高め、次世代原子力プラントの構築に向けたより耐久性のある構造物の開発を支援し、実現可能で安全な未来を形作ります。

トップ原子力株のリストはこちらをご覧ください。

研究参考文献：

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Neutron flux impact on rate of expansion of quartz. Journal of Nuclear Materials. Available online 13 2025年1月, 155631. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155631}

2. Onaizi, A. M., Amran, M., Tang, W., Betoush, N., Alhassan, M., Rashid, R. S. M., Yasin, M. F., Bayagoob, K. H., & Onaizi, S. A. (2024). Radiation-shielding concrete: A review of materials, performance, and the impact of radiation on concrete properties. Journal of Building Engineering, 97, 110800. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110800

3. Ahmad, N., Idris, M.I., Hussin, A. et al. Enhancing shielding efficiency of ordinary and barite concrete in radiation shielding utilizations. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0