海水ウラン、実用的なエネルギー源に一歩近づく

ウランなどを燃料にする原子力エネルギーは、ライフサイクル全体の炭素排出量が少ない電源です。その歴史には重大事故も含まれます。現代の安全システムはリスクを減らしますが、監督、廃棄物管理、環境保護は引き続き必要です。化石燃料への依存を減らす取り組みは、原子力の役割を見直す契機になっています。

「原子力エネルギーは化石燃料を置き換える低炭素エネルギー源であり、経済と環境のグリーンな発展に重要な保証を提供します。」

研究者は2023年、海水からウランを回収する電気化学的方法を発表しました。大規模に持続可能な方法となるかは、費用、エネルギー消費、環境影響の評価にかかっています。

研究の進展

ACS Central Scienceに掲載された研究の題名は「効率的な電気化学的ウラン抽出のための自立型多孔性芳香族骨格電極」です。溶けているウラニルイオンを捕集する研究であり、海水から直接電気や完成した核燃料を作るものではありません。

海洋に溶けているウランの総量は「約45億トン、陸上ウラン埋蔵量のほぼ1,000倍」と推定されています。ただし、溶存総量と経済的に回収可能な埋蔵量は異なります。海水中のウラン濃度は非常に低いためです。

研究チームは炭素繊維布に、ウラニルイオンと結合するアミドキシム基を持つ多孔性高分子を被覆しました。布を陰極、黒鉛を陽極として電流を流すと、ウランを含む沈殿物が表面に集まりました。渤海の天然海水を用いた試験では、24日間で活性被覆材料1g当たり12.6mgのウランを回収しました。水1g当たりの値ではありません。電気化学的方法は、布への受動的な蓄積より約3倍速い結果でした。

研究チームは、この成果が「電気化学プロセスによる海水からのウラン抽出に効果的な戦略を提供した」としています。ただし、商業規模で採掘より安価、または環境面で優れていると証明したわけではありません。

ウランとは

核分裂、連鎖反応と放射性崩壊

ウラン235の原子核は、中性子を吸収すると軽い原子核に分裂し、エネルギーと追加の中性子を放出することがあります。この誘起核分裂は、ウランの自然な放射性崩壊系列とは異なります。

出典: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — 放射性崩壊系列の図であり、核分裂の連鎖反応を示す図ではありません。

原子炉では連鎖反応を制御します。ある核分裂で生じた中性子が次の核分裂を起こすことがあります。発生した熱は通常、蒸気を作り、発電機につながるタービンを回すために使われます。

原子力発電の基盤は、この制御された核分裂です。発電エネルギーを、図にある自然の放射性崩壊系列と同じ過程として説明すべきではありません。

核融合という別のアプローチ

核分裂では、適切な隔離と管理を要する核分裂生成物やその他の放射性物質が生じます。核分裂生成物は原子核が分かれてできるもので、ウランの通常の自然崩壊だけで生じるものではありません。科学者は別のエネルギー源として核融合を長年研究してきました。

核融合は軽い原子核を結合させます。主要な研究対象の一つは、重水素と三重水素からヘリウム、中性子、エネルギーを生む反応です。太陽も核融合で輝きますが、主な反応系列は地上で研究する重水素・三重水素反応とは異なります。考えられる利点には次のものがあります。

燃料質量当たりの高いエネルギー：核融合は燃料1kg当たり、核分裂の約4倍、石炭や石油の燃焼の約400万倍のエネルギーを生み得ます。これは単一の反応や発電所の正味効率ではなく、燃料質量を基準にした比較です。

燃料の供給：重水素は水から得られます。三重水素は自然界に豊富ではなく、例えば核融合中性子を使ってリチウムから生産する必要があります。十分な三重水素の生産と回収は技術的課題です。

環境面で期待される利点：核分裂と同様、核融合反応自体は二酸化炭素を排出しません。重水素・三重水素反応はヘリウムと中性子を生み、中性子は炉材を放射化させます。そのため放射線防護と材料管理が必要です。約100年後の再利用可能性は材料や設計に依存し、一般的な保証ではありません。

安全性：核融合には厳しい条件が必要で、核分裂の連鎖反応は維持しません。条件が失われるとプラズマの核融合は速やかに止まります。炉心溶融のリスクは核分裂炉と異なりますが、三重水素、中性子、熱、施設の安全を管理する必要があります。ウランやプルトニウムを燃料にしないことが、すべての核拡散リスクを自動的になくすわけではありません。

NIFは2022年と2023年に標的でのエネルギー利得を達成しました。例えば2022年12月には、標的へ入射した2.05MJのレーザーエネルギーに対し3.15MJの核融合エネルギーが発生しました。これは正味の発電や施設全体の正のエネルギー収支ではなく、施設全体はより多くのエネルギーを消費しました。

2023年に語られた、10～20年で実証用核融合発電所を実現するという見通しは、確定した日程ではなく予測でした。進展はプラズマ物理、材料、燃料生産、建設、経済的な運用に左右されます。

安定した実用的な核融合発電には、引き続き研究と技術開発が必要です。点火実験の成功は、そのまま機能する発電所や保証された実用化日程を意味しません。

エネルギー・原子力技術の企業

公的研究機関と民間企業は、エネルギーや原子力技術に貢献しています。以下の企業は役割が異なり、すべてが海水ウラン回収や核融合を開発しているわけではありません。

表の数値は2023年の記事の歴史的なスナップショットであり、現在の市場データではありません。最新の指標は別途確認する必要があります。

1. Exelon Corporation

EXC 価格チャート

シカゴに本社を置くExelon Corporation (EXC )は、2022年2月に発電事業をConstellationへ分離し、送配電に注力しました。したがって、原子炉23基と原発14か所を運営するという過去の説明は、現在のExelonの事業を指しません。表とEXCチャートはConstellationではなくExelonのものです。

2. NextEra Energy, Inc.

NEE 価格チャート

NextEra Energy (NEE )は、2023年の年次報告書ではフロリダ、ニューハンプシャー、ウィスコンシンの各州に原発を保有していました。核分裂自体は二酸化炭素を排出しませんが、施設にはライフサイクルの環境影響があります。原文の年間2,400万トン以上の排出回避は比較に基づく推計であり、総排出量がゼロとの測定結果ではありません。

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT 価格チャート

米国企業BWX Technologies (BWXT )は、原子力部品、技術、燃料を供給しています。事業は艦船の原子力推進、核医学、研究用原子炉などを含みます。2023年には、GE Hitachiから小型モジュール炉BWRX-300の原子炉圧力容器に関する設計業務を受注したと発表しました。ポーランドなど欧州での開発計画は、すでに発電所が稼働していることを意味しません。

おわりに

海水からの電気化学的ウラン回収と核融合は、別々の研究分野です。前者は大規模回収が経済的・環境的に適切と分かれば、核分裂燃料の供給源を広げられる可能性があります。後者は大きな技術的課題を伴う別のエネルギー源を探るものです。2023年の結果は研究の進展であり、環境影響のない無制限の電力がすでに利用可能だという証拠ではありません。