放射性廃棄物の無害化は可能？最新技術と実用化への道のり

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原子力発電により発生する放射性廃棄物の処理は、日本だけでなく世界共通の重要課題です。2025年現在、日本では約2万7,000本相当のガラス固化体が存在し、その安全な処分方法が求められています。本記事では、放射性廃棄物を無害化する最新技術と、その実用化に向けた取り組みについて詳しく解説します。

放射性廃棄物とは何か

放射性廃棄物は、原子力発電所の運転や使用済み核燃料の再処理によって発生する、放射性物質を含む廃棄物です。主に以下の種類に分類されます。

高レベル放射性廃棄物

使用済み核燃料を再処理した後に残る、極めて放射能レベルの高い廃棄物です。ガラス固化体として処理され、製造直後の表面放射線量は約1,500Sv/hに達します。放射能が天然ウラン並みに減衰するまでには約8,000年、ウラン鉱石レベルになるまでには数万年を要します。

低レベル放射性廃棄物

原子力発電所の炉心や周辺設備から発生する、放射能レベルが相対的に低い廃棄物です。L1（高レベル）からL3（低レベル）まで分類され、それぞれに適した処分方法が採用されています。

現在の主要な処理・処分方法

地層処分

現在、世界各国で採用されている最も一般的な処分方法が地層処分です。地下300メートル以深の安定した地層に高レベル放射性廃棄物を埋設し、以下の特徴を活かして長期間安全に隔離します。

• 酸素が少なく、物質の変化が遅い
• 地下水の動きが非常にゆっくりしている
• 人間の生活環境から隔離されている

日本では2025年2月時点で、北海道の寿都町、神恵内村、佐賀県の玄海町の3か所で文献調査が実施されています。

多重バリアシステム

地層処分では、「人工バリア」と「天然バリア」を組み合わせた多重バリアシステムにより、放射性物質の漏出を防ぎます。

人工バリア：

• ガラス固化体（水に溶けにくく化学的に安定）
• 厚い金属製容器
• 緩衝材（粘土）

天然バリア：

• 安定した岩盤
• 透水性の低い地層

放射性廃棄物の無害化技術

地層処分は確立された方法ですが、より根本的な解決策として、放射性廃棄物を無害化する技術の研究開発が進められています。

核変換技術とは

核変換技術は、放射性廃棄物に含まれる長寿命の放射性核種を、より短寿命の核種や安定な元素に変換する技術です。この技術により、廃棄物の減容化と有害度の低減が可能になります。

主な対象物質：

• マイナーアクチノイド（MA）：ネプチニウム、アメリシウム、キュリウムなど
• 長寿命核分裂生成物（LLFP）：テクネチウム-99、ヨウ素-129など

加速器駆動システム（ADS）

日本原子力研究開発機構などが研究を進めている最も有望な核変換技術の一つが、加速器駆動システム（ADS：Accelerator Driven System）です。

ADSの仕組み：

1. 大強度加速器で陽子を光速の97%以上まで加速
2. 加速した陽子を鉛ビスマス合金などのターゲットに照射
3. 核破砕反応により大量の中性子を発生
4. 中性子を未臨界状態の原子炉に導入
5. 核変換反応により長寿命核種を短寿命化

ADSの利点：

• 未臨界状態での運転のため、安全性が高い
• 加速器を停止すれば即座に反応が停止
• マイナーアクチノイドを大量に装荷可能
• 臨界炉に比べて設計の自由度が高い

高速炉による核変換

高速炉を用いた核変換も研究されています。東京都市大学、東京工業大学、東北大学、日本原子力研究開発機構の共同研究では、小型高速炉約10基で長寿命核分裂生成物を処理し、発電しながら核変換を行うシステムが提案されています。

このシステムにより、放射性廃棄物の潜在的毒性を大幅に低減し、地層処分の期間を数万年から数百年に短縮できる可能性があります。

元素変換技術

三菱重工業は約20年にわたり、元素変換技術の研究を継続しています。この技術では、特殊な条件下で放射性元素を別の元素に変換し、無害化を目指します。同社は「10年後の実用化」を目標に掲げています。

J-PARCにおける研究開発

茨城県東海村にあるJ-PARC（大強度陽子加速器施設）では、ADSによる核変換技術の基礎研究が行われています。

核変換実験施設（TEF）

J-PARCでは、核変換実験施設（TEF：Transmutation Experimental Facility）の建設が検討されています。TEFは二つの施設で構成されます。

ADSターゲット試験施設（TEF-T）：

• 核破砕ターゲットの技術確立
• 陽子ビーム窓の工学的特性検証
• 液体鉛ビスマスの運用技術開発

核変換物理実験施設（TEF-P）：

• 小型臨界集合体を用いた実験
• ADSの運転・制御に関する研究
• 核変換技術の成立性検証

液体金属技術の開発

ADSでは冷却材および核破砕ターゲットに液体鉛ビスマス（LBE）を使用します。LBEは鋼材に対する腐食性が強いため、以下の研究が重要です。

• 腐食に耐える材料の開発
• 温度や酸素濃度の管理技術
• 長期運転における材料劣化の評価

実用化に向けた課題

放射性廃棄物の無害化技術を実用化するには、多くの技術的・社会的課題があります。

技術的課題

1. 大強度加速器の開発：安定的に大電流の陽子ビームを供給する技術
2. 材料技術：過酷な環境に耐える構造材料の開発
3. 分離技術：放射性廃棄物から特定の核種を効率的に分離する技術
4. 安全性の確保：長期運転における安全性の実証
5. 経済性：実用規模での経済的成立性の確保

時間とコストの問題

無害化技術の研究開発には、長期間と多額の投資が必要です。ADSの実用化には、さらに数十年の研究開発期間が見込まれています。一方で、地層処分は既存の技術で実施可能であり、現実的な選択肢として並行して進められています。

国際協力の重要性

放射性廃棄物の無害化は世界共通の課題であり、国際的な協力が不可欠です。日本は欧米各国と情報交換を行い、共同研究を進めています。

今後の展望

短期的展望（2025年～2035年）

• J-PARCでの基礎実験の継続
• 材料技術の進展
• 小規模実証試験の実施
• 地層処分の文献調査から概要調査への移行

中長期的展望（2035年～2050年）

• ADS実証炉の建設・運転
• 核変換技術の実用化検証
• 高速炉との組み合わせによる最適システムの確立
• 地層処分施設の建設開始

階層型処分の概念

将来的には、以下のような階層型アプローチが有望視されています。

1. 核変換技術により長寿命核種を短寿命化
2. 処理できない廃棄物のみを地層処分
3. 地層処分の規模と期間を大幅に削減

このアプローチにより、将来世代への負担を最小化できる可能性があります。

まとめ

放射性廃棄物の無害化技術は、原子力利用における最重要課題の解決策として期待されています。加速器駆動システム（ADS）や高速炉による核変換技術は、廃棄物の減容化と有害度低減の可能性を示していますが、実用化にはまだ時間を要します。

現在は、確立された地層処分技術を着実に進めながら、並行して無害化技術の研究開発を推進する「二段構えのアプローチ」が採用されています。技術的課題の解決、経済性の確保、社会的受容性の向上を通じて、将来世代に負担を残さない放射性廃棄物管理の実現が目指されています。

日本原子力研究開発機構は2024年度から高レベル放射性廃棄物の無害化・再資源化研究を本格化させており、今後の技術進展に注目が集まっています。放射性廃棄物の問題は、科学技術の進歩とともに、社会全体で考え続けていく必要がある課題です。

キーワード： 放射性廃棄物、無害化、核変換技術、加速器駆動システム、ADS、地層処分、高速炉、マイナーアクチノイド、長寿命核分裂生成物、J-PARC

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