六フッ化ウラン

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原子力発電

ガス拡散法:ウラン濃縮の仕組み

原子力発電の燃料となるウランには、ウラン-235とウラン-238という二種類の仲間が存在します。この二つは原子核の中性子の数が違うだけで、ほとんど同じ性質を持っています。このうち、ウラン-235は核分裂を起こしやすく、原子力発電で利用される重要な物質です。一方、ウラン-238は核分裂を起こしにくい性質を持っています。自然界に存在するウラン鉱石には、ウラン-235が約0.7%しか含まれておらず、残りの大部分はウラン-238です。この自然界のウランを天然ウランと呼びます。原子力発電では、天然ウランに含まれるウラン-235の割合を数%程度まで高めた濃縮ウランを使用します。これは、ウラン-235の割合を高めることで、より効率的に核分裂反応を起こし、エネルギーを取り出すためです。ウラン-235の割合を高める作業をウラン濃縮と言います。ウラン濃縮は、原子力発電の燃料を製造する上で非常に重要な工程であり、様々な方法が開発されてきました。初期に実用化された主要な方法の一つがガス拡散法です。この方法は、ウランを気体の六フッ化ウランに変換し、それを多孔質の膜に通すことで、わずかに軽いウラン-235を含む六フッ化ウラン分子を多く透過させ、濃縮していく方法です。この他に、遠心分離法も主要なウラン濃縮法として知られています。遠心分離法は、高速回転する円筒の中で、質量のわずかな違いによりウラン-235とウラン-238を分離する方法です。ガス拡散法に比べて、必要なエネルギーが少なく、効率的にウランを濃縮できるため、現在では主流の濃縮方法となっています。ウラン濃縮技術は、原子力発電の燃料製造だけでなく、核兵器の製造にも利用される可能性があるため、国際的な管理の対象となっています。
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再転換:ウラン燃料の循環

原子力発電所で電気を起こすために使われるウランは、様々な姿に変化しながら燃料へと形を変えていきます。この燃料を作る過程で、再転換と呼ばれる重要な工程があります。天然に存在するウランは、そのままでは原子力発電の燃料として使うことができません。ウランを濃縮するためには、六フッ化ウランという物質に変える必要があります。しかし、この六フッ化ウランは、腐食性が非常に強く、取り扱いがとても難しい物質です。そのため、ウランの濃縮が終わると、六フッ化ウランを酸化ウランという安定した物質に戻す作業が必要になります。この工程こそが再転換です。一度酸化ウランから六フッ化ウランに変化させ、再び酸化ウランに戻すため、「再」転換と呼ばれています。まるで元の姿に戻す工程のように見えますが、この再転換は非常に重要な意味を持っています。濃縮されたウランは、原子力発電で効率よくエネルギーを生み出すために必要なものです。しかし、濃縮を行うために必要な六フッ化ウランは、その危険性から燃料としてそのまま使うことはできません。そこで、安全に取り扱える酸化ウランに戻す必要があるのです。再転換によって作られた酸化ウランは、燃料集合体を作るための材料となります。つまり、再転換は、ウラン燃料を作る上で欠かせない工程であり、原子力発電を支える重要な技術と言えるでしょう。ウランの性質を巧みに利用し、安全かつ効率的にエネルギーを生み出すための、高度な技術がそこに込められています。
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原子力発電の燃料ができるまで:転換工程とは

原子力発電の燃料となるウランは、幾つもの工程を経て作られます。その出発点は、ウラン鉱石の採掘です。ウラン鉱石は、地中深く、あるいは露天掘りによって採掘されます。採掘された鉱石には、ウラン以外にも様々な物質が含まれているため、ウランを取り出すためには精製作業が必要となります。まず、採掘されたウラン鉱石は粉砕されます。細かく砕かれた鉱石は、次に化学処理を施されます。この工程では、ウランを鉱石から溶かし出すために、酸やアルカリといった薬品が用いられます。ウランが溶け出した溶液には、まだ多くの不純物が含まれています。そこで、溶媒抽出やイオン交換といった高度な技術を用いて、ウランだけを選択的に分離していきます。これらの精製過程を経て、最終的に得られるのがイエローケーキと呼ばれるウランの化合物です。イエローケーキは、その名が示すような鮮やかな黄色ではなく、黄褐色から濃い茶色をした粉末状の物質です。正式名称は重ウラン酸ナトリウムや重ウラン酸アンモニウムなどです。イエローケーキの状態では、まだ原子力発電の燃料として使用することはできません。イエローケーキは、さらに転換、濃縮、成型といった工程を経て、原子力燃料へと加工されます。つまり、イエローケーキは、原子力発電の燃料へと姿を変える重要な中間生成物と言えるのです。
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遠心分離法:ウラン濃縮の仕組み

物質を分離する方法には様々なものがありますが、大きさや重さの違いを利用した方法の一つに遠心分離があります。私たちの身近な例では、洗濯機で濡れた衣類の水分を取り除く脱水機能が挙げられます。高速で回転する洗濯槽によって、衣類に含まれる水滴は外側へと押し出され、小さな穴から排出されます。これは、水よりも衣類の繊維の方が重いため、遠心力によって動き方に違いが生じるからです。同じ原理は、原子力発電に必要なウランの濃縮にも応用されています。ウランには、核分裂を起こしやすいウラン235と、起こしにくいウラン238という二種類の仲間(同位体)が存在します。自然界に存在するウラン鉱石には、ウラン235がわずか0.7%しか含まれていません。原子力発電を行うためには、このウラン235の割合を数パーセント程度まで高める必要があります。この作業がウラン濃縮です。ウラン濃縮に使われる遠心分離機は、高速で回転する円筒形の容器です。この容器に、ウランを気体の状態にした六フッ化ウランを注入します。すると、わずかに軽いウラン235を含む六フッ化ウラン分子は中心付近に集まり、重いウラン238を含む六フッ化ウラン分子は外側へと移動します。この差はごくわずかですが、遠心分離機を何段も直列につなぎ、何度も繰り返すことで、ウラン235の割合を高めていくことができます。遠心分離法によるウラン濃縮は、他の濃縮法に比べて電力消費量が少なく、環境への負荷が少ないという利点があります。そのため、現在、世界中で建設されているウラン濃縮工場の多くで、この遠心分離法が採用されています。一見単純な原理ですが、実は最先端技術の一つと言えるでしょう。
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ウラン転換:原子力発電の重要な一歩

原子力発電所で電気を起こすには、燃料となるウランが必要です。このウラン燃料を作る過程で、ウラン転換という大切な工程があります。ウランは、もともと土の中からウラン鉱石として掘り出されます。このウラン鉱石から不純物を取り除き、黄色い粉末状にしたものをイエローケーキと呼びます。このイエローケーキには、ウランという物質が含まれていますが、そのままでは原子力発電所の燃料として使うことができません。そこで、ウラン転換という工程が必要になるのです。ウラン転換とは、イエローケーキに含まれるウランを六フッ化ウランという物質に変える作業です。六フッ化ウランは、常温では固体ですが、少し温度を上げると簡単に気体になります。この気体になりやすいという性質が、次の工程であるウラン濃縮にとって大変重要です。天然のウランには、ウラン235とウラン238という二種類のウランが含まれています。このうち、原子力発電で利用できるのはウラン235だけです。ウラン235は核分裂という反応を起こしやすく、この反応を利用して熱を作り、発電機を回して電気を作ります。しかし、天然ウランの中に含まれるウラン235の割合は、わずか0.7%程度しかありません。残りのほとんどはウラン238です。ウラン238は核分裂を起こしにくいため、そのままでは原子力発電の燃料として使うことができません。そこで、ウラン235の割合を高める必要があります。これをウラン濃縮と言います。ウラン濃縮を行うには、ウランを気体の状態にする必要があります。固体のままではウラン235とウラン238を分離することが難しいからです。ウラン転換によって作られた六フッ化ウランは、加熱することで簡単に気体になるため、ウラン濃縮を行うための大切な準備段階と言えます。ウラン転換によって、原子力発電に必要な燃料を製造するための重要な一歩が踏み出されるのです。
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六フッ化ウラン:原子力の要

原子力発電所で電気を起こすために欠かせないのが、核燃料です。この核燃料の原料となるのがウランと呼ばれる物質ですが、天然のウランをそのまま発電所で使えるわけではありません。天然ウランから核燃料を作り出す過程で、非常に重要な役割を担っているのが六フッ化ウランです。六フッ化ウランは、普段は色のついていない固体ですが、少し温度を上げると気体になるという特殊な性質を持っています。固体から液体になることなく、直接気体に変化するのです。この性質こそが、核燃料を作る上で重要な鍵となります。天然ウランには、核分裂を起こしやすいウラン235と、起こしにくいウラン238という二種類の同位体が含まれています。原子力発電を効率よく行うには、ウラン235の割合を高めた濃縮ウランが必要となります。六フッ化ウランを気体にすることで、この二種類のウラン同位体を分離し、ウラン235の割合を高める、つまり濃縮する作業が可能になるのです。具体的には、気体になった六フッ化ウランを遠心分離機にかけます。遠心分離機の中では、わずかな重さの差を利用してウラン235とウラン238を分離していきます。この作業を何度も繰り返すことで、原子力発電に適した濃縮ウランが作られます。このように、六フッ化ウランは姿を変えることで、ウラン濃縮の過程を支えています。一見地味な存在ですが、原子力発電を陰で支える縁の下の力持ちと言えるでしょう。核燃料を作り出す過程で、六フッ化ウランはまさに無くてはならない存在なのです。