東日本大震災から10年以上が経過し、一時はゼロになっていた原子力発電所が徐々に再稼働しています。その理由は安定的にエネルギーを供給でき、省スペース・省燃料で稼働させられるからです。

しかし、福島第一原発事故でわかるように、ひとたび大事故が発生すると原発周辺の人々が長期にわたって故郷を追われるような放射能汚染が発生してしまいます。

今回は原子力発電の仕組みや原子力発電のメリット・デメリット、日本や世界の原子力発電所の現状、原子力発電の課題などについてまとめます。

原子力発電とは

原子力発電とはウランの核分裂(原子核が２個以上に分裂すること)を利用して発電する方法です。

ウランの原子核に中性子という小さな粒子をぶつけると、ウランが核分裂を起こします。そして核分裂が起きるとウランは大きな熱エネルギーと中性子を放出します。この時放出された熱を利用して水を沸騰させ、その水蒸気でタービンを回して電気をつくりだします。

しかし、核分裂が進みすぎると反応が止まらなくなる恐れがあります。そこで、制御棒を使って核分裂を引き起こす中性子の動きをコントロールし、核分裂の連鎖反応を抑えます。

原子力発電の歴史

原子力発電は第二次世界大戦後に実用化されました。ここからは、原子力発電の歴史についてまとめます。

原子力発電の歴史年表

原子力発電の流れを整理するため、年表を用意しました。

原子力発電の始まり

原子力発電の研究はアメリカで始まりました。第二次世界大戦中の軍事研究であるマンハッタン計画が発端でしたが、戦後は軍事研究とは別に発電用原子炉の開発が進められます。*2）

このきっかけとなったのがアイゼンハワー大統領の『Atoms for Peace』という国連総会での演説でした。*1）その後、「原子力の軍事利用」への転用を防止するためIAEA（国際原子力機関）が設立され、「原子力の平和利用」が進められます。

その中で1970年代に起きた２度のオイルショックは、日本を含む先進国の経済に大きなダメージを及ぼしました。各国政府は石油資源に依存しすぎることの危険性をふまえ、石油以外のエネルギー資源である原子力の積極利用を進めるようになりました。*1）

スリーマイル島原発事故とチェルノブイリ原発事故

しかし、20世紀後半に発生した２つの原発事故は、原子力発電推進の動きにストップをかけます。１つ目の事故は1979年にアメリカでおきたスリーマイル島原発事故です。スリーマイル島原発２号機で稼働中に故障が発生し、ポンプとタービンが停止したことがきっかけで、原子炉内の核燃料が溶融（炉心溶融）する大事故となりました。*2）

２つ目がチェルノブイリ原発事故です。1986年４月26日、旧ソ連のチェルノブイリ（今のウクライナ領チョルノービリ）で大規模な原発事故が発生しました。この日、チェルノブイリ原発では、外部電源を失ったとの想定で試験を行っていました。しかし、実験中の運転ミスにより炉心溶融と水蒸気爆発が発生。大量の放射性物質が大気中に放出されました。*2）

スリーマイル島原発事故もチェルノブイリ原発事故も処理に多額の費用が掛かり、さらには周辺環境に甚大な被害を与えました。

原子力発電への回帰

その後、1990年代に入り冷戦が終結すると、アジア地域で目覚ましい経済発展がみられました。これにより、エネルギー需要が一気に増加しました。しかし、石油資源の供給は思うように伸びなかったため、エネルギー需給がひっ迫し始めます。*1）

その中で1992年に開かれた「国連環境開発会議」（地球サミット）では地球温暖化について集中的に話し合われ、CO2の排出削減に向けた動きが加速し始めていました。このような状況でエネルギーの不足を補うため、先進国でも新興国でも原子力発電所の建設が進みました。*1）

福島第一原発事故

2011年3月11日、東北地方太平洋沖で発生した大地震により巨大津波が襲来。沿岸部に甚大な被害を与えました。福島県の太平洋側に位置していた福島第一原発も津波による被害を受け、すべての電源を喪失し３つの原子炉で炉心溶融が発生しました。*1）

事故発生後、福島第一原発から半径20キロ以内を警戒区域に、20〜30キロ以内を緊急時避難準備区域としました。これにより、該当地域に住む住民は居住地から避難することを余儀なくされました。*4）

原子力発電の仕組み

続いては、原子力発電はどのような仕組みの発電方法なのかを見ていきましょう。

【原子力発電の仕組み】

先述したように、原子力発電は核分裂で生み出された熱を利用し、水を沸騰させて蒸気タービンを回転させ電気を生み出します。ここではもう少し踏み込んで、ウラン燃料・原子炉・タービン・復水器の４つのパートに分けて解説します。

ウラン燃料の使用

原子力発電で使用する燃料はウランという鉱物です。ウランの中でもウラン235とよばれるものは核分裂しやすく、原子力発電に適しています。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％でしかありません。このままでは発電に適さないので、２〜４％までウランを濃縮し、燃料として使用します。*6）

原子炉の中で中性子がウラン235にあたることで核分裂反応がはじまり、大きな熱エネルギーを放出します。核分裂が起きると複数の中性子が放出され、それが他のウラン235とぶつかり新たな核分裂が発生。核分裂が連鎖することで膨大な熱エネルギーが生み出されます。*6）

原子炉のタイプ

原子炉とは、核分裂で発生する熱エネルギーを取り出すための装置です。原子炉には軽水炉・重水炉・黒鉛炉がありますが、日本で稼働している原子炉は軽水炉です。*7）軽水炉は核分裂で発生した熱を冷ましたり、中性子のスピードを抑えたりするのに水を使用する原子炉のことです。*6）

タービンを回して発電

原子炉で熱せられた水は高温・高圧の蒸気となり、発電用のタービンを回転させます。すると、タービンとつながった発電機が回転し、電気を生み出します。蒸気の力でタービンを回し、発電するという仕組みは火力発電所と同じものです。*6）

蒸気を復水器で冷却

復水器とはタービンを回転させた蒸気を水に戻す機器です。復水器の中には冷たい海水が通る冷却管が４〜５万本あり、蒸気がこれらの管に接触することで冷却され水となります。*7）原子力発電所が海岸付近に立地するのは、冷却水である海水を確保するためです。*8）

以上をまとめると、

となります。

原子力発電のメリット

20世紀後半から利用が始まった原子力発電は世界各地で使用されています。その理由は２つの大きなメリットがあるからです。それぞれの内容についてみてみましょう。

メリット①エネルギーの安定供給に役立つ

日本は2050年のカーボンニュートラル達成に向けて、再生可能エネルギーの主電源化を進めています。しかし、再生可能エネルギーは天候に左右されやすい点や送電網とつなげるための系統系統連携という点で改善点が多く、解決するべき課題が多いといえます。そこで、政府は再生可能エネルギーと原子力エネルギーを組み合わせようと考えています。

【1次エネルギー供給と電源構成】

2019年は化石燃料の割合が高いのに対し、2030年では再生可能エネルギーを増やすことに加え、原子力の割合を増やそうとしていることがわかります。*9）

メリット②省スペース・省燃料で発電効率が高い

原子力発電は少ない燃料で大きな電力を得られる発電方法です。

【100万kwの発電設備を１年間運転するために必要な燃料】

100万kw発電するために濃縮ウランは21トン、天然ガスは95万トン、石油で155万トン、石炭で235万トン必要です。つまり、濃縮ウランがかなり少ない量で済み、それだけ保管場所なども狭くて済み、効率的だといえます。

また、発電のために必要な発電所の面積も狭くて済みます。

【原子力発電１年間分と同じ発電量を得るために必要な面積】

原子力発電所と同じ発電量を得るため、太陽光発電なら約97倍、風力発電なら357倍もの面積が必要です。これらのことより、原子力発電は省スペースで効率よく発電できる発電方法だといえます。

原子力発電のデメリット

原子力発電はエネルギーの安定供給、省スペースで発電できるといった長所を持っているとわかりました。しかし、原子力発電には無視できないデメリットが存在します。それが、安全面でのリスクです。

デメリット①事故が起きると大きな被害が出る

原子力事故の被害の大きさは、福島第一原発事故を見ればよくわかります。2011年に発生した東日本大震災で、東京電力福島第一原発はすべての電源を喪失し大規模な炉心溶融を引き起こしました。その後、政府は避難指示区域を設定します。

【政府が設定した避難指示区域】

上の地図でわかるように、福島第一原発周辺から放射性物質が飛散した北西方向の地域に避難指示区域が設定されています。*4）

事故から11年が経過した2022年段階でも、燃料プール内の核燃料取り出しや事故で発生した燃料デブリの除去、発生し続ける汚染水問題などが解決していません。政府は福島第一原発の廃止措置期間を30〜40年後としていますが、予断を許さない状況です。*11）

デメリット②放射性廃棄物が発生する

原子力発電所を運転すると、高レベル放射性廃棄物が発生します。高レベル放射性廃棄物とは、使用済み核燃料からウランやプルトニウムを取り出す際に発生する放射能レベルが高い廃液です。これらの廃液は放射能が外に漏れださないよう、高温のガラスと溶かしあわせて固体化されます（ガラス固化体）。*12）

ガラス固化体となった放射性廃棄物の処分方法の一つに「地層処分」があります。地下300メートルよりも深い安定した岩盤に閉じ込める処分方法で、地上で保管するよりもリスクが低いと考えられています。しかし、処分場の決定には地域住民の理解が必須で、日本では文献調査の段階にとどまっています。*12）

日本の原子力発電の現状

福島第一原発事故の発生は日本の原子力発電に大きな影響を与え、一時は原子力発電がゼロになったこともありました。現在はどのような状況なのでしょうか。

原子力発電所一覧

現在、日本にある原子力発電所は以下のとおりです。

これらのうち、福島第一原子力発電所と福島第二原子力発電所は廃炉されています。

稼働状況

2022年９月段階の稼働状況を示した地図があります。

【2022年9月1日段階の稼働状況】

この段階で再稼働している原子力発電所は10基で、地元の理解を得られた原子炉は４基です。徐々にではありますが、原子力発電所の再稼働が進んでいるとわかります。

原子力安全推進協会（JANSI）が日々公表している原子力発電所の稼働状況によれば、2023年１月31日段階の稼働状況は以下のとおりです。

【2023年1月31日段階の稼働状況】

世界の原子力発電の現状

日本では、停止していた原発が徐々に再稼働しつつあります。世界の原子力発電はどうなっているのでしょうか。

原子力発電量の推移

世界の原子力発電の発電量はほぼ横ばい状態です。

【世界の原子力発電電力量の推移】

2011年と2012年に大幅に落ち込んでいるのは日本の原子力発電量が急減したからです。しかし、2013年以降は再び増加に転じ、2011年以前の水準に戻りつつあります。増えている理由はエネルギー需要が急増している新興国を中心に原子力発電所導入の動きが見られることが挙げられます。*16）

各国の原子力発電の現状

原子力発電の現状を国ごとにみるとどうなっているのでしょうか。

【主要原子力発電国における設備利用率の推移】

先進国の原子力発電設備利用率は高い状態で推移しています。特にフィンランドやアメリカの利用率は90％を越えており、既存設備の稼働率が上がっています。

次に、国別の状況をより詳しく見てみましょう。

【各国・地域の現状一覧】

最も原子力発電所が多いのはアメリカで94基、フランス・中国・日本がそれに続きます。発電に占める割合が高いのはフランスで67%、次いでウクライナの54%です。スリーマイル島原発事故で原子力の積極利用から遠ざかっている印象があるアメリカですが、実際にはかなり原子力発電に依存していることがわかります。*16）

原子力発電の課題

原子力発電はメリットはあるものの、デメリットが目立ちます。今後、原子力発電の運用がどのようになるかは検討段階ではあるものの、稼働が進んだ際のリスクや課題も把握しておきましょう。

安全面での課題

繰り返しになりますが、原子力発電所は安全面での課題を抱えています。原子力発電所で何らかの理由で事故が発生すると、放射能漏れのような重大事故につながる懸念があります。その懸念を払しょくするため、福島第一原発事故の教訓を踏まえ、原子力発電の安全性を高める技術開発が進められてきました。

たとえば、溶融してしまった燃料を受け止めるコリウムシールドの開発や事故のときに発生した水素を処理する技術、地震などによるリスクの見直しなどがこれにあたります。*17）

とはいえ、どのような技術を開発しても「完璧」がありえないというのが福島第一原発事故の教訓です。

最終処分についての課題

原子力発電で生み出される高レベル放射性廃棄物の最終処分も大きな課題です。政府は、

などを模索しています。*17）

これに基づき、青森県六ケ所村に再処理工場やMOX燃料工場を建設して高レベル放射性廃棄物の再利用を目指しています。

それでも、すべての高レベル放射性廃棄物を処理できるわけではありません。

【最終処分場決定に関する世界の状況】

最終処分場が決まらないのは日本だけの問題ではありません。電力に占める原子力の割合が高いフランスでさえ、精密調査にとどまっています。日本はフランスの二歩手前の文献調査の段階に入ったばかりです。*17）

これから、ボーリング調査や精密調査を経て最終処分地を選定するまで、かなりの時間が必要となるでしょう。

建設コスト面での課題

原子力発電所とそれ以外の発電方法の建設費を比較します。

この数値だけを見ると、原子力発電がとりわけ高額とはいえません。しかし、資源エネルギー庁の資料では120万キロワットの発電所を想定しています。つまり、37万円×120万=4,400億円となります。

昨今の燃料費高騰を踏まえたとしても、かなり建設費用が高額であるため、原子力発電所の新規設置はかなり慎重に決めるべきであることがわかります。

原子力発電とSDGs目標7「エネルギーをみんなに そしてクリーンに」との関連

最後に原子力発電とSDGsの関係を確認します。

原子力発電は発電時にCO2を排出しないという点では、CO2排出削減に貢献できるエネルギー源です。SDGsと照らし合わせると、特に目標7と関連していると言えるでしょう。

SDGs目標7は「Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy」と記されています。日本語にすれば「すべての人々の安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」となります。

原子力発電を環境にやさしい「グリーンエネルギー」として認めるかについては環境先進地域であるヨーロッパでも意見が分かれています。BBCの2022年２月３日の記事では、EUは原子力発電所や天然ガス発電を「グリーンエネルギー」として認めたのに対し、ドイツやオーストリアは反対しています。*20）

原子力発電所が「安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギー」として認められるには、安全性や高レベル放射性廃棄物の問題を解決する必要があるでしょう。

まとめ

今回は原子力発電についてまとめました。原子力発電には狭いスペースで発電できることや少ない燃料で発電できること、電力を安定供給できることなどといったメリットがある半面、ひとたび事故が起きれば大惨事に見舞われるという無視できないデメリットがあります。

燃料供給を外国からの輸入に頼っている日本は、輸入に頼らずとも得られる再生可能エネルギーや安定供給を下支えする原子力発電を上手に使いこなす必要があります。

あるいは、原子力を全廃するにせよ、既存の発電所から出る高レベル放射性廃棄物の処理などの課題に取り組まなければなりません。

私たちは原子力発電所の利便性と事故発生時のリスクを天秤にかけ、柔軟に対応をすることが求められているのではないでしょうか。

〈参考・引用文献〉
*1）資源エネルギー庁「世界の原発利用の歴史と今」
*2）日本原子力研究開発機構「第 2 章 原子力開発の歴史」
*3）一般財団法人環境イノベーション情報機構「炉心溶融」
*4）環境省「避難指示区域の設定について」
*5）資源エネルギー庁「電気をつくる方法 その❸」
*6）東京電力ホールディングス「原子力発電のしくみ」
*7）電気事業連合会「原子炉の基本構造」
*8）関西電力「原子力発電所が都市部から離れたところにあるのはなぜですか？」
*9）資源エネルギー庁「エネルギーの今を知る10の質問」
*10）資源エネルギー庁「原発のコストを考える」
*11）資源エネルギー庁「『エネルギー白書 2022』「第1節 東日本大震災・東京電力福島第一原子力発電所事故への取組」」
*12）資源エネルギー庁「高レベル放射性廃棄物」
*13）電気事業連合会「原子力発電所」
*14）資源エネルギー庁「もっと知りたい！エネルギー基本計画⑦ 原子力発電（１）再稼働に向けた安全性のさらなる向上と革新炉の研究開発」
*15）原子力安全推進協会「原子力発電所運転実績」
*16）資源エネルギー庁「『エネルギー白書 2022』「第2節 一次エネルギーの動向」
*17）資源エネルギー庁「原子力政策の課題と対応について」
*18）日本原燃「MOX燃料加工事業の概要」
*19）資源エネルギー庁「各電源の諸元一覧（案）」
*20）BBC NEWS JAPAN「EU、原発を「グリーン」認定の方針 ドイツやオーストリアは反対」