米国の電力需要が増加し、テクノロジー企業が人工知能システムを駆動するためにより多く、より大規模なデータセンターを建設しようとする中、そのすべての電力をどのように生成するかということが主要な疑問として浮上している。
International Energy Agencyによると、世界中の大規模データセンターは2022年に約460テラワット時の電力を消費しており、この数値は、アナリストらが将来にわたって上昇し続けると予測しているものである。
提案されている1つの解決策は原子力エネルギーだ。これには、既存の大規模原子力発電所によるもの、再稼働した古い発電所、政府の補助金を受けて建設される可能性のある新しい発電所、そして開発中でまだ利用可能ではないその他の小型の原子力発電所が含まれる。
特にAIデータセンターへの電力供給に関する議論には、小型モジュール炉と呼ばれるタイプの原子力発電所が含まれている。International Atomic Energy Agencyによると、世界中で約70種類の異なる設計の研究開発が進められており、その中には、いつか小規模や遠隔地のコミュニティ、軍事用途、さらには海上の船舶や宇宙船に電力を供給する可能性のある原子炉も含まれている。
支持者らは、これらの原子炉設計が気候変動を引き起こす炭素排出なしに安定した電力を供給すると述べている。また、エネルギーを必要とする場所の近くに配置できるため、送電網への依存を減らすこともできる。これらが商業的に利用可能になるまでにはまだ数年かかる。実証プロジェクトは2030年より前に建設が開始される可能性があり、商業プロジェクトは2030年代半ばまでに稼働するかもしれない。また、U.S. Department of Energyには、これらが発生させる放射性廃棄物を処理する計画がまだない。
私は、原子炉の廃棄物処理や廃炉を含む原子力産業に焦点を当てた仕事をしているエンジニアだ。このタイプの原子炉とは何か、どのように機能し、何ができるのかについて以下に説明する。
基本事項
原子炉には一般的な3つのサイズがあるが、商業的に建設されているのは従来の原子力発電所のみだ。従来の発電所は、高さ30フィート（10メートル）にもなる原子炉炉心の周囲にある広大な敷地上の恒久的な場所に建設される。これらは通常、1,000メガワット以上の電力を生成し、これは70万～100万世帯に供給するのに十分な量である。
その他のタイプはまだ研究段階にあり、かなり小型である。マイクロリアクターの炉心は、セミトレーラーのトレーラーに収まるほど小さい。これらはフットボール競技場ほどの広さの土地に設置でき、生成する電力は20メガワット未満である。
小型モジュール炉はその中間である。炉心はおよそ幅9フィート（3メートル）、高さ18フィート（6メートル）である。施設全体で約50エーカーの面積を占め、最大300メガワットの電力を生成できる。
原子炉のサイズゆえに、様々な部品から工場で製造し、トラック、鉄道、または水路で組み立て場所まで輸送することが可能である。
すべての異なるタイプの小型モジュール炉は、同じ方法で熱を発生させる。つまり、重い原子を分裂させ、その熱を水や溶融塩などの様々な物質に取り込み、水を循環させて蒸気を発生させ、タービンを駆動するのだ。
また、放射線や放射性物質が周囲に放出される可能性のある事故のリスクと重大性を低減するための安全機能も設計されている。例えば、受動的システムや重力のような基本原理に基づくシステムは、爆発や漏洩が発生するレベルに達する前に核反応を停止させることができる。これらの原子炉はまた、従来の大規模な原子炉よりも発生する熱が少なく、核物質の量もはるかに少ないため、放射能のリスクも低減できる可能性がある。
建設と配備
小型モジュール炉は、大規模な原子力発電所が実用的ではない遠隔地や、大規模な送電網を持たない地域での電力供給に適している。
そのコンパクトな設計と柔軟な配置は、小さな地理的地域や、淡水化プラントのような産業施設、あるいは原子力発電の開発を始めたばかりの国にとって理想的である。
これらは2～3年以内に建設して稼働させることができる。これは、標準的な原子力発電所の許可確保と建設や、大規模な原子力発電所の建設完了にかかる10年以上の期間よりも迅速である。
小型モジュール炉が実際に建設され使用されるまでには、まだ様々な技術的課題が残っている。これには、各原子炉の操作に何人の人員が必要かという比較的単純な疑問から、米国および国際的な安全規制の改良に関する決定というより複雑なものまで含まれる。また、放射性物質の輸送を管理する最善の方法もまだ明確ではない。特に、水以外の冷却材を使用する原子炉の場合、新しい形態の放射性廃棄物が生成される可能性があるためである。
燃料の理解
大規模な原子力発電所は、核反応で分裂して熱を放出する元素であるウラン235を3%～5%含む燃料を使用する。しかし、多くの小型モジュール炉の設計では、ウラン235を5%～20%含む異なる燃料を使用する。
「高純度低濃縮ウラン（HALEU）」と呼ばれるこの異なる燃料により、原子炉はより少ない体積の燃料物質からより多くの電力を生成できる。また、標準的な核燃料よりもかなり多くのウランを含んでいるが、核兵器に使用される90%のウラン235の濃度よりははるかに低いままである。
より濃縮された燃料は、燃料補給の間隔を長くし、燃料使用後に残る放射性廃棄物の量を減らすことも可能にする。
米国の取り組み
U.S. Department of Energyは、外国の供給源への依存を避けるため、小型モジュール炉向けにこのタイプのウランの国内製造を発展させるべく取り組んでいる。
政府との契約の下、メリーランド州に本社を置く核燃料会社Centrus Energyは、2023年以降、約1トン（920キログラム）の燃料を生産している。この契約は、納税者に1億2,000万米ドルの負担となると見積もられている。2025年半ば、Centrus Energyは、2026年半ばまでに同量を再生産するための1億1,000万ドルの契約延長を受けた。
U.S. Department of Energyは、Centrus Energyが製造した燃料を、実証および開発プロジェクトのために5つの企業に分配している。
廃棄物の管理
すべての原子力発電所は、燃料とそれによって生じる廃棄物の安全な取り扱いを必要とする。米国には核廃棄物を保管する恒久的な場所がない。ほとんどの核廃棄物は、それが発生した原子炉周辺の敷地内に保管されている。
U.S. Department of Energyは、小型モジュール炉からの廃棄物を一時的に保管する場所を見つけようとしていると述べているが、そのプロセスは何年も法廷で争われており、すぐに解決する見込みはないかもしれない。
その他の産業用途
電力を供給することに加え、小型モジュール炉は大量の熱を直接生成することもできる。
これは、海水から飲料用や灌漑用の淡水を作るために電気と熱の両方を使用する淡水化プラントにとって有用である可能性がある。遠隔地の鉱山操業でも、機器を操作し、居住区を居住可能にし、鉱物を処理するために熱と電力の両方を必要とすることがよくある。
小型モジュール炉は、大学のキャンパスでも役立つかもしれない。University of Illinoisで計画されているマイクロリアクターは、キャンパスの建物に電力と蒸気を供給すると同時に、学生に原子力発電所の操作方法を教え、将来のさらなる原子炉改良のための研究と実証の機会を提供するだろう。
