課題山積の原子力の未来

https://oilprice.com/Alternative-Energy/Nuclear-Power/The-Future-of-Nuclear-Power-is-Wrought-with-Challenges.html
Gail Tverberg 記 - 11月 12, 2024, 4:00 PM CST
原子力発電所の燃料として不可欠なウラン不足が、世界中で深刻化している。
米国は濃縮ウランをロシアとその同盟国に大きく依存しており、地政学的リスクがある。
使用済み核燃料のリサイクルは高価で複雑であり、環境面や安全保障面で大きな課題を抱えている。
提案されている新しいモジュール式原子力発電ユニットが、原子力発電の問題を解決するかのような印象を受けがちだ。おそらく、より多くの原子力発電を、低コストで、使用済み核燃料の問題をはるかに軽減しながら可能にする。
私が状況を分析するにつれ、原子力発電に関連する問題は、多くの人々が認識している以上に複雑で、かつ差し迫ったものであることがわかった。私の分析によれば、世界はすでに「ウラン産出量が足りない」状況にある。アメリカのウラン生産量は1980年頃に「ピーク」を迎えた。（図1）
図1.米国エネルギー情報局が作成した、米国の酸化ウラン生産量を示す図。

長年にわたり、米国はウラン供給不足を回避するため、核弾頭を（ロシアから購入したものと自国から供給したものの両方を）ダウンブレンドすることができた。
図2.ArmsControl.orgによる、1945年から2023年までの世界の推定核弾頭在庫。

今日、核弾頭の在庫はかなり少なくなった。ダウンブレンドできる核弾頭はほとんどない。ウランの供給には限界があり、それがいま現実のものとなりつつある。

核弾頭は、一般的にウランを供給する以外に、核反応を維持できるウランの同位体であるウラン235を濃縮して供給するという点でも重要である。核弾頭の供給が枯渇すると、アメリカは第2の大きな問題を抱えることになる。それは、核燃料を製造する方法を開発することであり、おそらくは使用済み核燃料から、望ましい高濃度のウラン235を製造することである。現在、濃縮ウランの主要供給国はロシアである。

米国の計画は、政府の研究助成金を使って、現在の原発よりも効率的な新しい小型モジュール式原子炉の研究を開始することである。これらの原子炉は、ロシアからの購入を除いて、現在入手可能なものより高濃度のウラン235を含む新しい燃料を使用する。より高濃縮のウラン燃料の米国内での生産に着手するための補助金も交付される。この高濃縮ウランのほとんどは、使用済み核燃料のリサイクルから得られ、使用済み核燃料の問題を解決する一助となる。
私の分析によれば、改良型モジュール原子炉は理論的には非常に長期的には役に立つかもしれないが、アメリカや他の西側諸国の問題をすぐに解決することはできない。2025年1月に発足するトランプ政権は、このプログラムを無駄と見なす。
[1] 現在の原子力発電の問題点は、驚くほど隠蔽されている。世界の原子力発電による発電量は、2004年以来、ほぼ横ばいで推移している。
図3.エネルギー研究所発行の「2024年世界エネルギー統計レビュー」のデータに基づく世界の原子力発電量。

2011年の津波による福島の原子炉の被災後、世界の原子力発電量は落ち込んだが、それ以外は2004年以来ほぼ横ばいで推移している（図3）。

図4.エネルギー研究所発行の「2024年世界エネルギー統計レビュー」のデータに基づく。
米国の原子力発電生産量（図4）は、2021年以降の生産量が減少していることを除けば、同様のパターンを示している。

[2] 原子力発電所で発電される電力の総量は、利用可能なウラン燃料の量によって制限される。
原子力発電による電力供給が2004年以降横ばいになっている大きな理由は、原子力発電の総発電量が、建設された原子炉に使用可能なウラン燃料の量によって制限されているからだと私は考える。

ウラン価格が上昇する可能性はあるが、供給量がすぐに増えるとは限らない。新しいウラン鉱山の開発には数年かかる。
理論的には、使用済み燃料を再処理してウランやプルトニウムを生産することも可能だが、現在までに実施された量は少ない（セクション[6]参照）。

[3] 世界原子力協会（WNA）は、世界のウラン供給問題を示唆する図5を発表した：
図5.世界原子力協会による世界のウラン生産量と原子炉の必要量（ウラン・メートル・トン）。

「原子炉の必要量」を示す黒い線（図5）は、ある意味で世界の原子力発電量（図3）に匹敵する。両図とも、2004年頃からかなり横ばいの線を示している。この関係は、過去20年間、ウラン燃料を使った発電の効率が向上していないことを示している。
図5は、各国のウラン生産量と「原子炉の必要量」との間に大きな隔たりがあることを示している。唯一最大の追加供給源は、核爆弾からのダウンブレンドウランである。EIAの報告によると、米国は1995年から2013年にかけて、「メガトンからメガワットへ」のプログラムのもと、この目的のためにロシアから大量の核弾頭を購入した。EIAはまた、2013年から2022年までの期間、米国がロシアから商業用低濃縮ウランを購入し、核弾頭原料の一部をダウンブレンドすることを可能にする購入協定が結ばれたと報告している。さらに、米国は自国の核弾頭の一部をブレンドダウンすることができる。図4に示すように、米国の原子力発電が2004年から2023年までの期間、比較的横ばいを維持できたのは、こうしたさまざまな供給源からのウラン供給があったからである。
米国自身のウラン採掘量は1980年頃にピークに達し、現在はゼロに近い（図1）。世界の核弾頭供給量は現在85％以上が枯渇し、貯蔵されている高濃縮ウランはほとんど残っていない。（図2）

隠された問題は、現在入手可能なウラン生産は、その大部分がロシアとその密接な関連国によるものである。図5の基礎データによると、2022年のウラン生産は、ロシアと密接な関係にある国（カザフスタン（全体の43％）、ウズベキスタン（全体の7％）、ロシア（全体の5％）で全体の55％を占める）が支配的である。アメリカ（ほぼ0％）と、その親密な関連国であるカナダとオーストラリアの生産量を加えても、世界のウランの24％しか供給していない。ロシアとその関連国、米国とその関連国の間のこの不均衡は懸念されるべきである。

現在の米ロの対立は核問題に拍車をかけている。
米国はロシアに制裁を課そうとしている。EIAが報じている：
「米国の原子炉で使用されるウランの原産地は、今後数年で変わる可能性が高い。5月[2024年]、米国は8月[2024年]からロシアからのウラン製品の輸入を禁止したが、企業は2028年1月1日まで免除を申請することができる。」
これは、ロシア産ウラン依存からの脱却をわずか3年あまりで実現しなければならないことを意味している。この移行が困難であることを考えると、この期間は短い。
EIAのデータによると、2023年、米国からのウラン供給はわずか4.6％である。(これは核弾頭の一部または大部分をダウンブレンドしたものである。）ロシアから購入した原料はウランの11.7％を占めた。カザフスタンは20.6％、ウズベキスタンは9.5％のウランを供給した。米国の同盟国では、カナダが14.9％、オーストラリアが9.2％。

[5] WNAはウラン供給問題をほのめかしていない。
WNAは原子力の擁護者であり、ウランの供給に問題があるとは言えない。WNAは、ウランが不足すれば価格が上昇し、より多くのウランが利用できるようになるという意見を持っている。しかし、価格が上昇しても、新しい鉱山を稼働させるには数年かかる。価格が高止まりしなければ、企業はチャンスを追求しない。
図6.トレーディング・エコノミクスによる過去のウラン価格チャート。

OurFiniteWorld.comの読者は、原油価格が急騰と暴落を繰り返す傾向があることをご存じだろう。価格が高止まりすると、石油を使った最終製品が手に入らなくなる傾向がある。同じような問題がウランでも起こる。
WNAが言及しているウラン高採掘に必要な価格閾値は、2021年の130ドル/kgである。偶然にも、2024ドルを用いてポンド当たりドルに換算すると、これは図6の現在の価格線とほぼ一致する。確かに、価格は時々高騰する。問題は、鉱山の数十年の寿命を支えるために、点線のような高値を長く維持することである。エコノミストたちは数年前、原油価格が1バレルあたり300ドルになると予想していたが、予想は裏切られた。現在の価格は1バレルあたり75ドルを下回っている。
回収可能なウランが最も多い国はオーストラリアである。2022年の世界のウラン生産量のわずか9％だが、世界の残存埋蔵量の28％を有すると報告されている。オーストラリアが新規鉱山の開設に踏み切るには、継続的な価格上昇が必要である。
抽出技術が改善されれば、より多くのウラン供給が可能になるかもしれない。

世界は原油のピークを過ぎた。石油のピーク問題は、新たなウラン採掘と輸送を制限する。
使用可能なウランとプルトニウムを回収するための使用済燃料のリサイクルは、限られた範囲でしか達成されていない。これまでの経験から、リサイクルには多くの問題がある。
現在行われている使用済み燃料のリサイクル量の推定は可能である。セクション[1]の図3は、既存の原子力発電の需要を満たすために約65,000トンのウランが必要であり、2022年時点で年間約26％の供給不足があることを示している。私が収集した情報によれば、既存のウランとプルトニウムのリサイクルは、燃料全体の必要量のおそらく6％である。2022年現在、使用済み燃料のリサイクルによって、このウラン供給不足を年間核燃料需要の「わずか」20％にまで削減できる可能性がある。使用済み燃料のリサイクルは行われているが、必要量に比べればわずかである。
使用済み燃料からウランを回収する装置の建設には、いくつかの問題がある：
ウラン採掘を拡大するより高いコスト
リサイクル工場からの汚染問題
核弾頭の製造に使用される可能性
原発内での事故の可能性
再処理工場の耐用年数終了時にその場所に残る放射能、したがって、その工場の廃炉の必要性。
(2)、(3)、(4)、(5)の問題により、多くの抗議者が建設や運営を妨害する。
米国は1977年に使用済み核燃料のリサイクルを非合法化した。ロシアの核弾頭の購入が手配されると、核弾頭のダウンブレンドは使用済み燃料の再処理よりもはるかに安価なアプローチとなった。フィジックス・トゥデイは最近、米国の再処理について次のように報じている：
「ニューヨーク州ウェストバレーの工場は、1972年に閉鎖されるまでの6年間、使用済み燃料を再処理していた。工場の拡張を考えていたオーナーは、新規制基準に適合するためのアップグレードに必要なコストに難色を示した。サウスカロライナ州バーンウェルでの再処理工場建設は、カーター政権の禁止令により1977年に中止された。」
日本は1993年以来、六ヶ所村に商業用の使用済み燃料再処理工場を建設しようとしているが、コスト超過や多くの団体からの抗議など、大きな問題を抱えている。工場が実際に完成する時期の最新の見積もりは、2026年度または2027年度である。年間800トンの燃料を処理する予定である。
現在稼働中の商業用使用済み核燃料再処理工場で最大のものは、フランスのラ・アーグにある。フランスの軍事プロジェクトとしてスタートしたこの工場は、（1966年以来）十分な年数が経過しているため、古い装置の廃炉問題にぶつかっている。最初の処理ユニットは2003年に停止した。国際原子力機関（IAEA）は、「UP2-400の廃炉プロジェクトは約20年前に始まり、あと数年は続くと予想される」と述べている。莫大な費用と関係者の数について語っている。廃炉活動は、2つの使用済み核燃料リサイクルプラントが稼動しているラ・アーグ・サイトの活動全体と社会経済的影響のおよそ20％を占めている。
ラ・ハーグの再処理施設のコストは、完全には知られていない。これらは政府機関によって建設され、アレバを含む様々な所有者を経てきた。莫大な財政問題を抱えていたアレバの後継会社はオラノ社である。現在稼働しているユニットの処理能力は、年間約1700トン。ラ・ハーグの使用済み燃料の再処理1700トンは、使用済み燃料のリサイクルのための世界の稼働能力のほぼ半分である。
ロシアは、私の数字に含まれていないアプローチに取り組んでいる。もしそうなら、世界のウラン供給量は増えるかもしれないが、ロシアは十分な量がなければ、その恩恵を西側諸国と分かち合いたいと思わない。
[7] 同位体ウラン235の濃度は、提案されている新しいモジュール式原子炉の燃料を作る上で非常に重要である。
ウラン235は天然ウランの0.72％を占める。ウィキペディアによれば、「主要な同位体であるウラン238とは異なり、ウラン235は核分裂性である。」現在使用されているほとんどの原子炉では、ウラン235の濃度は3％から5％である。
CNNによると、先進モジュール式小型原子炉の建設計画では、ウラン235の濃度が5％から20％の燃料を使用する。この濃度の燃料は高純度低濃縮ウラン（HALEU）と呼ばれる。このタイプの燃料を使用した発電所は、より効率的に運転されることが期待されている。
核弾頭は高濃度のウラン235を使用するため、核兵器がダウンブレンドに利用できない限り、高濃度のウラン235を製造することは問題になりがちである。核弾頭は高濃度のウラン235を使用する。現在、ダウンブレンディングに使用できる核弾頭が減少しているため、他の供給源が必要である。CNNは、HALEUの唯一の商業的供給源はロシアであると報じている。EIAによれば、インフレ削減法は、HALEUの国内サプライチェーンの開発を支援するために7億ドルを投資した。
[8]米国は、移行をスムーズにする成功モデルをほとんど持たないまま、多くの新しいアイデアを一度に導入しようとしている。
不思議なことに、アメリカには小規模原子炉の実用化モデルがない。2024年9月のCNBCの記事によれば、小型原子炉は世界に電力を供給できる可能性がある。
現在ある新たな小規模原子力プロジェクトは、まだ予備的な段階にある。2024年6月、ビル・ゲイツは、アメリカ初の次世代原子力施設に着工した。ワイオミング州ケンメラーには、まもなく世界で最も先進的な原子力施設が建設される予定だ。HALEU燃料を入手できれば、2030年までに稼働する計画だ。
使用済み燃料からHALEUを製造する能力がどの程度進んでいるかについては、『Interesting Engineering』誌の2024年10月の記事に次のように書かれている。
「概念設計が承認されたこの施設は、アイダホ国立研究所（INL）に設置される。この施設は、DOEの旧実験用増殖炉II（EBR-II炉）から回収された使用済み物質を、先進原子力発電所用の使用可能な燃料に変えるのに役立つ。. .計画では、アイダホ国立研究所（INL）で長年かけて完成した電気化学プロセスを用いて、2028年12月までにEBR-II燃料から約10トンのHALEUを回収する。」
これが実現すれば一歩前進だが、他社が経済的に行えるアットスケールの商業プロジェクトにはほど遠い。10トンという容積は小さい。
このレベルから始めると、新技術を搭載した原子炉とそれに供給するHALEU燃料が、2050年までに大量に利用できるようになるとは考えにくい。
[使用済み核燃料を再処理して作られる新しいHALEU燃料と、新しい改良型モジュール原子炉を使って発電される電気のコストが低いとは考えにくい。
私が見る限り、これらの新しいモジュール式発電所が手頃な価格になるという論拠は、一度に発電する電力量が比較的少ないこと、つまり約300メガワット以下、米国の従来の原子炉の平均の約3分の1であることだ。発電出力が小さいため、電力会社など、より多くの購入者が購入しやすい価格になることが期待される。
経済学者が見落としがちな問題は、このような新しい技術を使って発電された電気は、1キロワット時あたりのコストが低くないと役に立たないということだ。高コストの電気は手頃な価格ではない。多くの新しいアプローチが初めて試みられるときにコストを抑えることは、大きなハードルになる可能性が高い。セクション[6]で触れた使用済み燃料のリサイクルで遭遇する問題の長いリストに目を通し、これらの問題を安価に回避できないかと考える。また、セキュリティーなど、提案されている新しい改良型モジュール原子炉の採用や設置に関する問題もある。
希望としては、改良型モジュール原子炉の建設とHALEU燃料の製造の全プロセスを標準化し、規模の経済が働くように組織化できることだ。この目標を達成するのは難しいように思える。理論的には、このような目標は2060年か2070年に達成できるかもしれないが、現在の世界の鉱山からのウラン不足を考えると、すぐには無理だろう。
[10] トランプ政権は、現在の改良型モジュール原子炉のプログラムを中止するか、大幅に変更する可能性が高い。
この記事で取り上げている米国のプランは、バイデン政権下で策定された。民主党は11月5日に政権から落選した。民主党政権は、2025年1月20日にドナルド・トランプが率いる共和党新政権に交代する。
先進モジュール式原子力発電計画が、トランプ大統領が廃止を宣言した、現在補助金が支給されている洋上風力発電計画とほぼ同じように、すぐに消滅しても私は驚かない。この2つの計画には多くの共通点がある。どちらの計画も米国の借金を増やす口実となり、研究者に多くの雇用を提供し、関連する装置はかなり小口で購入できる。どちらのプログラムも電力1キロワット時あたりのコストは高くなる。現在の構想では、効率的な発電方法とは言えない。大きな問題は、新しいモジュール式原子炉用の燃料が不足していることと、この燃料を入手するための立ち上がり時間が遅いことである。
トランプ大統領の下では、ロシアからのHALEU購入に対する制裁が関税に置き換えられるかもしれないと私は予想している。そうすれば、米国はロシアから購入したHALEUの恩恵を受けることができるが、価格は高くなるが、必要であれば研究を続けることができる。
[11] 解決策が見つからなければ、原子力による発電は徐々に姿を消していく。
時間の経過とともに、世界の自己組織化経済は、より非効率な部分を排除する傾向がある。過去の原子力発電の経験を見ると、自己組織化経済が非効率な部分を絞り出すもうひとつの例であるように思える。（図8）

図7.エネルギー研究所の「2024年版世界エネルギー統計レビュー」のデータに基づく。
この図において、「米国を除く先進国」とは、米国を除く経済開発機構（OECD）加盟国を指す。「後発国」とは、ロシアとウクライナを除く非OECD加盟国を指す。中国、インド、インドネシア、その他多くの低所得国が含まれる。これらの国の多くは東アジアにある。
私が思うに、原子力発電全体の生産量が比較的「横ばい」なのは、「後発組」が原子力発電の利用を急速に増やしたのとほぼ同時に、「米国を除く先進経済国」が原子力発電の利用を減らしたからである。後発参入国は、安価なエネルギー（多くの場合石炭）を効率的に使用し、賃金を低く抑えることで、国際市場で販売する商品を先進経済国（米国を除く）よりもはるかに安く作ることができる。このような効率的なアプローチにより、後発組は入手可能なウランを購入する上で「優位」に立つことができる。
私は、今後もこのような搾り取られるパターンが増えると予想している。実際、新規の原子力発電所や最近再稼働した原子力発電所は、利用可能なウランをめぐって既存の原子力発電所と競合する必要がある。
ウラン燃料に問題があることに気づく人はほとんどいない。世界の一部やアメリカの一部の指導者たちが、原子力エネルギーがいかに危険かという話を強調し始める。原子力の代わりに、風力や太陽光による発電を強調し、これらのアプローチが利用可能な場合は「優先」させる。原子力発電所にとってあまりにも低すぎる卸電力価格が発生する。このような低い卸電力価格が、原発を追い出す。
使用済み燃料のリサイクルやウラン採掘で本当にブレークスルーが起きない限り、原子力エネルギーを利用した発電は、現在原子力エネルギーを利用している世界の多くの地域から徐々に姿を消していく。
ゲイル・トゥバーバーグ著 「アワ・フィニット・ワールド」より