世界の発電量のうち、原子力発電は約10%を占めている。フランスなどの国々では、この割合は70%近くに達する。
GoogleなどのIT大手企業も、データセンターの膨大な電力需要を満たすため、原子力発電に注目している。
すべての原子力発電の源は、原子の結合エネルギーである。原子に蓄えられたエネルギーは、主に2つの方法で放出される：核分裂または核融合である。核分裂は大きな重い原子を小さな軽い原子に分裂させることであり、核融合は小さな原子を結合させてより大きな原子にすることである。
両方のプロセスで大量のエネルギーが放出される。例えば、ほとんどの発電所で燃料として使用されるウラン235という同位体の1回の核分裂崩壊は、最も純度の高い石炭の1回の化学反応と比べて600万倍以上のエネルギーを生成する。そのため、これらは発電に適したプロセスである。
核分裂とは?
核分裂は、現在稼働中のすべての原子力発電所で用いられているプロセスである。これは、中性子と呼ばれる微小な素粒子がウラン原子に衝突して分裂することで起こる。これにより更なる中性子が放出され、他の原子との衝突が続き、核連鎖反応が引き起こされる。その結果、莫大な量のエネルギーが放出される。
このエネルギーを電気に変換するため、熱交換器が設置され、水を蒸気に変え、タービンを駆動して発電する。
核分裂反応は、中性子の供給を抑制することで制御できる。これは、中性子を吸収する「制御棒」を挿入することで達成される。歴史的に、チェルノブイリなどの原子力事故は、制御棒が作動せず中性子の供給を抑制できなかった場合や、冷却材の循環が失敗した場合に発生している。
いわゆる「第3世代」設計は、故障が発生した場合に事故を回避するために、能動的な制御や人間の介入を必要としない受動的または固有の安全機能を組み込むことで、初期の設計を改良している。これらの機能は、圧力差、重力、自然対流、または高温に対する材料の自然な応答に依存する場合がある。
最初の第3世代原子炉は、日本の柏崎原子力発電所の6号機および7号機の改良型沸騰水型原子炉であった。
核分裂の未解決の課題は、反応の副産物が数千年単位で長期間放射性を帯びることである。また、再処理された場合、燃料源と廃棄物は核兵器の製造にも使用できる。
核分裂発電は実証済みの技術である。また、大規模なもの（最大は日本の柏崎刈羽原子力発電所の7.97ギガワット）から、船舶や原子力潜水艦で使用される約150メガワットの電力を生産する小型・中型原子炉まで、規模の調整が可能である。これらの原子炉は、英国および米国との三国間安全保障パートナーシップの一環として約束された、オーストラリアの8隻の原子力潜水艦の動力源となる。
核融合とは?
核融合は太陽や恒星のエネルギー源となるプロセスである。これは核分裂とは逆のプロセスである。原子が融合することで発生する。
実験室で最も開始しやすい反応は、水素の同位体である重水素と三重水素の融合である。質量単位あたり、U235の核分裂の4倍のエネルギーを生成する。
燃料イオンの重水素は、地球上および宇宙で驚くほど豊富に存在する。三重水素は半減期が12年の放射性物質であるため、地球上では非常に稀少である。宇宙は138億年の歴史があり、自然界で見られる軽核（水素、ヘリウム、リチウム）の同位体は、その時間スケールで安定なものだけである。
核融合発電所では、「リチウムブランケット」を使用して三重水素を製造する予定である。これは、核融合中性子が減速し、最終的に三重水素を形成する反応が起こる固体リチウム壁である。
しかし、現在のところ、科学者が実験室外で核融合反応を起こすことは非常に困難である。それは、融合には極めて高温の条件が必要だからである：最適な条件は1億5000万度である。
これらの温度では、燃料イオンはプラズマ状態で存在し、電子と（原子）イオンが解離している。このプロセスの副産物は放射性ではなく、不活性ガスであるヘリウムである。
持続的な核融合を実証するための主要な技術的方向性は、「トロイダル磁場閉じ込め」と呼ばれる。これは、極端な高温のプラズマを非常に大きなドーナツ型の磁気ボトルに閉じ込める方式である。
核分裂とは異なり、この技術的方向性では、核融合条件に達するために継続的な外部加熱と強力な閉じ込め場が必要である。どちらかを停止すると反応も停止する。課題は制御不能な炉心溶融ではなく、そもそも反応を起こすことである。
トロイダル磁場閉じ込め核融合の主要な未解決課題は、研究の大半を占めているが、自己加熱プラズマの燃焼の実証である。これは、反応自体が生成する加熱出力が主要となる状態である。これは、世界最大の核融合実験である多国間公的資金による ITERプロジェクトと、Massachusetts Institute of Technologyの民間資金によるSPARC実験の目標である。
しかし、科学界の大方の見解では、核融合は少なくとも2050年までは商業的に実現可能とはならないとされている。
気候変動への解決策となるか?
私はよく、原子力発電は地球を気候変動から救えるのかと尋ねられる。私には気候科学の同僚が多く、実際、私の故人となった妻も著名な気候科学者であった。
科学は明確である：気候変動を止めるには遅すぎる。世界は二酸化炭素排出量を削減し、破滅的な被害を最小限に抑えるためにできることをすべて行う必要があり、それは数十年前に行われているべきであった。
地球にとって、核分裂は風力や太陽光などの再生可能エネルギー源の広範な展開と採用とともに、そのグローバルな解決策の一部である。
より長期的な時間スケールでは、核融合が核分裂に取って代わることが期待される。燃料供給ははるかに大きく普遍的に分布しており、廃棄物の問題は体積と時間スケールの点で桁違いに小さく、また技術を兵器化することもできない。
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