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核燃料（かくねんりょう、英: nuclear fuel）^[1]とは、核分裂連鎖反応を起こし、エネルギーを発生させるために相当期間原子炉に入れて使うものを言う^[2]。ウラン233 (²³³U)、ウラン235 (²³⁵U)、プルトニウム239 (²³⁹Pu) などを指す^[3]。

概要

ウランやプルトニウムなど、核分裂連鎖反応を起こし、エネルギーを発生させるために相当期間原子炉に入れて使うものを核燃料(nuclear fuel)と呼ぶ。
純金属・合金・酸化物等の固体として利用するのが一般的であるが、水溶液・溶融合金・フッ化物等の液体の状態で利用する場合もある。

日本においては原子力基本法第三条で「ウラン、トリウム等原子核分裂の過程において高エネルギーを放出する物質」として核燃料物質(nuclear fuel material)という語が定義されており、天然ウラン、濃縮ウラン、劣化ウラン^[4]、プルトニウム及びこれらの化合物ならびにこれらを含む物質で原子炉において燃料として使用できるものを言う^[5]。ウラン238及びトリウムは中性子照射によってそれぞれ核分裂性の ²³⁹Pu と ²³³U に変化するので燃料親物質と呼ばれるが、広義には核燃料物質に含まれる^[6]。

低濃縮ウラン核燃料の製造過程

F1 ウラン鉱石

F2 ウラン精鉱（イエローケーキ）

F3 UF₆六フッ化ウラン

F4 燃料ペレット

F5 検査中の燃料集合体

ウランは地球上の地殻や海水中に広く分布しており土壌には平均2-4ppm（おもな分布範囲は0.7-11ppmで、農地ではリン酸系化学肥料の使用により最大15ppm）、海水中には0.003ppm含まれると推定されており、その総量は銀の40倍、スズと同量におよぶ。その内、確認可採埋蔵量は547万トンで可採年数は60-80年と推定されている（資源エネルギー庁が2007年時点でキロあたり130USドルの採掘コストを想定して行った試算による。2007年度のウランの世界需要は約7万トン、2010年度のウランの平均スポット価格は44ドルであった）。鉱床のある主な資源国はオーストラリア、カザフスタン、ロシア、南アフリカ、カナダ、アメリカ、ナミビア、ブラジルなどで、石油のように極端な資源の偏在性はない^[7]。

• 
  採鉱 (Mining)

ウラン鉱床は露天および地中にあり他の鉱物と同様に採掘される。インシチュリーチング（ISL: In-situ leaching、その場浸出)という、鉱石を採掘することなく、鉱床中に酸又はアルカリ溶液を直接注入してウランなどを溶液中に溶かし出すことにより回収する方法^[8]も実用化されている。

• 
  精錬 (Milling)

採掘されたウラン鉱石は粗製錬工場で粉砕・選鉱されウラン含有率を60-75%ぐらいまで高められる。この粉体をウラン精鉱（イエローケーキ）と呼び八酸化三ウラン (U₃O₈) の含有量で値決めされる。イエローケーキはドラム缶に詰められて転換工場へ出荷される。

• 
  転換 (Uranium conversion)

イエローケーキは転換工場で処理され六フッ化ウラン (UF₆) に転換される。これは48Yシリンダー（直径約1.4m、長さ約3.8mの鋼製円筒容器）と呼ばれる輸送容器に封入されて濃縮工場に出荷される。

• 
  濃縮 (Enrichment)

六フッ化ウラン (UF₆) は濃縮工場に送られ、ウラン235の比率（濃縮度）を0.7%から3-4%に高める濃縮が行われる。濃縮工程では大半 (96%) は副産物の劣化ウランとなる。アメリカには47万トンの劣化ウランがある^[9]。

• 
  燃料集合体への加工 (Fabrication)

六フッ化ウラン (UF₆) は燃料加工工場にて二酸化ウラン (UO₂) の燃料ペレットに加工され、燃料被覆管に納められて燃料棒となる。これを多数束ねたものが燃料集合体である。

脚注

1. 
   ^ 原子燃料とも呼ばれる。
   


2. 
   ^ 核分裂性物質と同義語に使われることもある。
   用語辞典(1974) p.50 『核燃料』
   


3. 
   ^ 現在の技術ではまだ実用化されてはいないが、軽い核種を高速で衝突させることにより融合させることでその質量エネルギーを利用する核融合も未来のエネルギー源として期待されており、その燃料である二重水素及び三重水素も広義の核燃料と言える。
   


4. 
   ^ 天然ウランよりもウラン235の含有率が低いものを指す。英語ではdepleted uraniumと言うが、日本語では使用済み核燃料など核分裂によってウラン235が消費された結果として生ずるものを「減損ウラン」、核燃料製造時の濃縮の副産物として生ずるものを「劣化ウラン」と呼び、用語・訳語を区別している。 発電工学(2003) p.301、用語辞典(1974) p.117 『減損ウラン』、p.354 『劣化ウラン』
   


5. 
   ^ 詳しくは核燃料物質、核原料物質、原子炉及び放射線の定義に関する政令の第一条において、次に掲げる物質が核燃料物質とされている。
   
   
   
   1. 
      ウラン235のウラン238に対する比率が天然の混合率であるウラン及びその化合物( = 天然ウラン)
   
   
   2. ウラン235のウラン238に対する比率が天然の混合率に達しないウラン及びその化合物 (= 劣化ウラン)
   
   
   3. トリウム及びその化合物
   
   
   4. 前三号の物質の一又は2以上を含む物質で原子炉において燃料として使用できるもの
   
   
   5. ウラン235のウラン238に対する比率が天然の混合率をこえるウラン及びその化合物 (= 濃縮ウラン)
   
   
   6. プルトニウム及びその化合物
   
   
   7. 
      ウラン233及びその化合物
   
   
   8. 前三号の物質の1又は2以上を含む物質
   
   
   
   


6. 
   ^ 用語辞典(1974) p.51 『核燃料物質』
   


7. 
   ^ “ウラン資源”. エネルギー庁. 2011年8月22日閲覧。
   


8. 
   ^ JIS Z 4001:1999 原子力用語 60012
   


9. 
   ^ “How much depleted uranium hexafluoride is stored in the United States?”. 米国エネルギー庁. 2011年8月22日閲覧。
   

参考文献

• 吉川 榮和、垣本 直人、八尾 健 『発電工学』 (社)電気学会〈電気学会大学講座〉、2003年。


• 『図解 原子力用語辞典』 原子力用語研究会 編、日刊工業新聞社、1974年、新版。

関連項目

• 核原料


• 原子力工学


• 
  原子力発電 - 核燃料サイクル - プルサーマル
  


• 
  高速増殖炉 - 新型転換炉
  


• 臨界量


• 燃焼度


• 核燃料税


• 英国核燃料会社


• 特殊核物質

表 話 編 歴 原子炉 世代 第1世代原子炉 第2世代原子炉 第3世代原子炉 第4世代原子炉 要素 炉心 核燃料（燃料棒、燃料集合体） 制御棒 冷却材 減速材 原子炉圧力容器 反射材 保安装置 原子炉格納容器 非常用炉心冷却装置 形式 核分裂炉 熱中性子炉 軽水炉 沸騰水型原子炉 (BWR) 加圧水型原子炉 (PWR) 超臨界圧軽水冷却炉 (SCWR) 水性均質炉 重水炉 CANDU炉 改良型重水炉 (AHWR) 新型転換炉 (ATR) ガス冷却重水炉 (HWGCR) 重水減速沸騰軽水冷却炉 (SGHWR) 改良型CANDU炉 (ACR) 黒鉛炉 黒鉛減速ガス冷却炉 (GCR) 黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉 (RBMK) 溶融塩原子炉 (MSR) 超高温原子炉 (VHTR) その他 有機物減速冷却炉 高速中性子炉 高速炉 高速増殖炉 (FBR) ナトリウム冷却高速炉 (SFR) 鉛冷却高速炉 (LFR) ガス冷却高速炉 (GFR) 進行波炉 (TWR) 一体型高速炉（英語版） ADS 加速器駆動未臨界炉 (ADS) その他 超高温原子炉 小型モジュール炉（英語版） 低減速炉 液体金属冷却炉 核融合炉 磁場型 トカマク型 球状トカマク ヘリカル型 磁気ミラー型 逆転磁場配位型 スフェロマック型 高ベータ核融合炉 球状トカマク 慣性型 レーザー核融合 フューザー 慣性静電閉じ込め核融合 バブル核融合 磁気標的核融合 Zピンチ核融合 重イオン慣性核融合 その他 焦電核融合 ミューオン触媒核融合- 常温核融合 Portal:原子力