玄海３号プルサーマル評価の基礎となる
高浜原発プルサーマル審査第９５部会資料の問題点
─プルトニウム・スポットによるＭＯＸ燃料の危険性─
| はじめに 玄海3号プルサーマルは、世界に例を見ないレベル・規模のプルサーマルであり、そのような実験の危険に人々をさらすものである。 ところが、その安全審査について、原子力安全委員会は専門部会なども設置せず、事実上詳細な専門的検討はしない方針だという。その理由は、玄海プルサーマルで使用されるＭＯＸ燃料集合体が高浜３・４号プルサーマルの場合と同じ規格であり、すでに詳細な検討が終了しているからだという。しかしその判断は、次の２つの観点から問題になる。 (1)玄海３号のＭＯＸ炉心は高浜３・４号のＭＯＸ炉心とは異なる。玄海プルサーマルの安全審査の対象になるのは、ＭＯＸ集合体自体ではなくＭＯＸ炉心である。ＭＯＸ炉心は従来のウラン炉心とは基本設計が異なるために安全審査の対象になるのである。玄海3号は出力が１２０万ｋＷ級で高浜３・４号の９０万ｋＷ級より1ランク高く、それだけ多くのＭＯＸ燃料集合体を用いることになり、その炉内配置も異なるなど、基本設計は独自の変更を受ける。フランスではプルサーマルが２０基許可されているが、どれも９０万ｋＷ級で１２０万ｋＷ級は許可されていない。  (2)高浜３・４号プルサーマルの審査は終了しているというが、それによって安全性が必ずしも確認されているわけではない。高浜プルサーマルの具体的な安全審査は１９９８年に設置された第９５部会で行われ、一般から募集した９７の意見に対する回答もそこで検討された。しかし、それらを記述した第９５部会資料[1]は許可が出された後になって初めて公表されたものである。つまり再反論を許さない有無を言わさないという方式であった。しかも、その資料には秘密による白紙の部分がいっぱいある。現在はその審査から約５年半が経過しており、その間に新たな技術的知見も得られていることも含めて、改めて一般の批判にさらされるべきである。いまこの第９５部会資料が、玄海プルサーマルの安全性の根拠として使われようとしているとき、その問題点を指摘することには重要な意義があると思われる。ＭＯＸ燃料のウラン燃料と異なる特質は、よく燃えるプルトニウムが最初から含まれているというだけでなく、それが不均質に存在すること、すなわち右図のようなプルトニウム・スポットの存在にある。ここでは特に、プルトニウム・スポットの存在とその影響に焦点を当てて、第９５部会資料の内容を批判したい。 １．プルトニウム・スポットの存在と評価 プルトニウムが高濃度の塊状で不均質に存在することは、ウラン燃料と異なるＭＯＸ燃料の特質である。プルトニウムはウランと比べて燃え方が激しく、核分裂によるガスがそれだけ多く発生して燃料ペレットと被覆管に破壊的影響を及ぼす恐れがある。上図は、フランスのコジェマ社が製造したＰＷＲ用ＭＯＸ燃料のプルトニウム・スポット(塊)の様子を示している[2]。富化度とはＰｕ＋Ｕ中のＰｕの重量比率、すなわちＰｕ濃度を表している。ペレットの富化度が高いほど、まるで河原の石のようにゴロゴロとスポットが存在しているのが分かる。 ■第９５部会資料でのプルトニウム・スポットの評価 それでは、第９５部会資料[1]ではプルトニウム・スポットの影響をどのように評価しているだろうか。この問題は、一般からの質問のうちＱ３−７への回答として記述されている。プルトニウム濃度が３０％、直径２００μmのスポットが只１個存在すると仮定し、それがペレットの中心部、表面及び中間部のどれかに存在する場合に、運転中のスポット中心温度が周辺基盤（ペレットマトリックス）と比べて何度高まるかを計算している（下表）。その結果、影響はほとんどないと結論づけているが、これでは余りにもお粗末ではないだろうか。ただの１個では上図と比べて非現実的だし、スポットの影響は温度だけではないのに、まじめな検討をしていない。 
では、第９５部会が取り上げているＭＩＭＡＳ法燃料ペレットでのプルトニウム濃度分布はどのようなものだろうか。先ほどと同じＱ３−７への回答中の図１(2/2)にそれは示されている（右図）。このグラフは、横軸のプルトニウム濃度がどのような頻度（度数）で現れているかを示している。上図のようにプルトニウム・スポットがゴロゴロと存在するよ うな印象はこのグラフからは感じられない。 ■新たに判明したＭＯＸペレットのプルトニウム分布 そこで、原子力発電技術機構が第９５部会資料より後の２００１年(平成１３年)３月に公表した資料[2]と比べてみよう。その中の図4.4.1-9aと-9bから高富化度の場合のグラフを抜き出すと下図のようになる。横軸にはプルトニウム濃度がとられている。ペレット断面の中間部から約１ｍｍ×１ｍｍの区画を抜き出し、約１０００等分した１μｍ×１μｍの網目に分け、各網目内のプルトニウム(トータル)濃度を測定する。ある濃度をもつ網目がいくつあるかを数え、それを全網目数で割ったものが「面積」と記したグラフである。それに横軸のプルトニウム濃度をかけるとプルトニウム量になるが、それを全プルトニウム量で割ったものが「プルトニウム量」と記したグラフである。
実際に日本で使われるのはこのようなＭＯＸ燃料である。この実態を見れば、第９５部会が扱っているプルトニウム・スポットは非現実的で、その分析はあまりにもお粗末だと言わざるをえない。 ２．核分裂生成ガス放出率の評価 プルトニウム・スポットは核分裂生成ガスの放出率と密接に関係している。核分裂により生成される物質（ＦＰ）の中にはキセノンなどのようなガス状のものがあり、ＦＰガスと呼ばれている。ＦＰガスは燃料ペレットの中で生成されかつ蓄積されるが、ついにたまりかねてペレットと燃料被覆管の間の隙間に放出されてくる。生成されたＦＰガスのうちどれだけがペレット外に放出されるかというその比率はＦＰガス放出率と呼ばれている。放出率が高いと、被覆管の内圧が高まるばかりか、それほどにもペレット内部にＦＰが蓄積されていると見なし得る。 ■異常な挙動を示すＭＯＸ燃料のＦＰガス放出率 下図グラフはP.Blanpainらが２００１年に公表したグラフに説明を加えたものある[3]。左側グラフでは、ＭＯＸ燃料とウラン燃料のＦＰガス放出率の実測値が燃料棒燃焼度を横軸にとって示されている。燃料棒燃焼度が４０GWd/t(＝40,000MWd/t)未満では、ＭＯＸ燃料のＦＰガス放出率はウラン燃料のそれを少し上回りながら、ほぼ平行して徐々に増加している。ところが、燃焼度が４０付近で、ＭＯＸの方はきわめて異常な挙動を示し、ウランの放出率の５〜７倍程度にも一挙に増大している。また、燃焼度が５０付近でも４〜５倍程度になるほどに再び異常な挙動を示している。すなわち、燃料棒燃焼度が４０以上では、ＭＯＸ燃料はウラン燃料と質的に異なる独自の挙動を示すことを、この現象は強く示唆している。
では、第９５部会資料[1]ではＦＰガス放出率の問題についてどのような判断を示しているだろうか。この問題は同資料のうち、資料第95-1-8号の付録Ａ「ＭＯＸ燃料棒設計手法について」で解説されており、またＱ３−９に対する回答としても説明されている。理論モデルとしてはＦＩＮＥコード及びＦＰＡＣコードがあるが、これらはいずれもウラン燃料棒の照射挙動を解析するために開発されたモデルであることが明記されている。そして、ＭＯＸ燃料のＦＰガス放出率は、ウラン燃料の場合の定数倍になると仮定され、その定数は燃焼度とは関係なく、ＦＩＮＥコードでは１．３、ＦＰACの場合は２．５ととられている。つまり、ＭＯＸ燃料とウラン燃料には質的な差異はなく、単なる量的な違いさえ考慮すればよいとの考えに立っている。その理論的計算結果は実測値とよく合っていると第９５部会資料では評価している。 しかし、そのような評価が虚偽であることは、上のグラフを見れば一目瞭然であり、定数倍の扱いが妥当なのは燃焼度が４０GWd/tまでであることが分かる。燃焼度が４０や５０付近の異常な挙動は、ＭＯＸ燃料に特有な構造があることを強く示唆しており、その理論的解明こそが問題になるはずなのに、第９５部会資料にはそのような姿勢がまったく見られない。 ■ＭＯＸ燃料での異常な挙動は高出力のせいか ところがここにもうひとつの本質的に重要な問題がある。それは第９５部会資料[1]の意見反映状況報告書(第95-9-3)の項目６で説明されている。項目６は「ＭＯＸ燃料は燃焼度が４万MWd/tを超えると急激に核分裂生成ガスやＨｅガスが発生するが、その対応策をどのように考えているのか」などの質問に対する回答であり、次のように答えている。 「フランスにおけるＭＯＸ燃料の照射データによると、照射３サイクル目において燃料棒燃焼度が40,000MWd/tを超えたところでＦＰガス放出率の大きな増加が見られておりますが、これは当該燃料棒の出力が約２２kW/mと高かったことによるものであることが確認されております。また、３サイクル目において同様の出力(約２１kW/m)で照射し、その後、出力を低下させて４サイクル目の照射を行った燃料棒について、燃料棒燃焼度約52,000MWd/tを達成しておりますが、燃焼の進行によるＦＰガス放出の増加は認められなかったことも報告されております。これらのことからも、出力がＦＰガス放出率にあたえる影響が大きいことがわかります。本申請においては、ＭＯＸ燃料棒の３サイクル目の出力は約１８kW/mと低く、この燃料棒出力に対応するＦＰガス放出率は、上記フランスの照射データにおいても低いものとなっております」。 この内容は基本的にP.Blanpainらの１９９５年論文[4]に基づいていると考えられ、そこではおおむねこのような事実が指摘されている。この回答を見ると質問者は次のように思うだろう。"ＭＯＸ燃料で燃焼度が40,000MWd/t(=４０GWd/t)になると放出率が異常に高まると思ったがそうでもないのか。高くなるのは全部出力が２２kW/mと高かったためで、高浜では出力がせいぜい１８kW/mしかないから安全なのだな"と。しかし実は、P.Blanpainらの論文を正確に読むと、前記の回答には大変なごまかしがあることが分かる。 (1)回答では、燃焼度が４万を超えたところのＦＰガス放出率の増大は、出力がすべて２２kW/mと高かったせいであるような書き方になっているが、原論文では出力が２２kW/mとほぼ一定だったのは燃焼度が４万３千の場合だと書かれている。上のグラフで見ると、燃焼度４０付近の高い値の集団(注２と表記)中でもっとも右にあり、放出率が５％弱の１点(注１と表記)に相当している。そして、注２と記した高い放出率の集団は、出力が１５〜２２kW/mの範囲にあると記述されており、高浜原発での１８kW/mはこの範囲に入っているのである。 (2)回答では、燃料棒燃焼度が５２(52,000MWd/t)場合でも、放出率の高くない場合があることが指摘されているが、２００１年公表の前記グラフでは５０付近で非常に高い場合もある。 (3)出力がＦＰガス放出率に大きい影響を与えることは事実であり、上の右側グラフでは確かにガス放出率が線出力密度とともに増大することを示している。この右側グラフが普遍的な性質であるのなら、それを逆に見ると、出力が低ければ放出率も低いことを示している。ところが、右側グラフには、それの成り立つ条件（燃焼度＜４０GWd/t）が記入されている。この燃焼度範囲は、左グラフで見ると異常性の起こるより前の段階である。この条件は、P.Blanpainらの１９９５年論文には書かれていなくて、２００１年の論文で初めて記入されたものである。それゆえに、第９５部会で前記回答のような「誤解」が生じたのはやむを得ないことかも知れない。しかしいまでは、この新たな知見をとり入れて、第９５部会資料の見解を修正することができるのである。 ■ＭＯＸ燃料ＦＰガス放出率の異常は独自のプルトニウム・スポット構造に由来 結局、ＦＰガス放出率は、燃焼度と出力ばかりか出力の履歴などにも依存して決まるらしいことがP.Blanpainらの論文[3][4]の中で示唆されている。出力が増えるということは核分裂が増えるということで、それだけＦＰガスも多く発生することになる。しかし他方、ペレットから外部へのガス放出率は、ガスの発生量だけでなく、それがどれだけペレット内に保持されるかにも関係して決まる。ＭＯＸでＦＰガス放出率が燃焼度４０付近で急に高まることは、ペレット内へのガス保持力がそこで急激に弱まることを示唆している。つまりその段階で、内部から外部へとガスが放出されるべき亀裂などの経路が生じるのであろう。 ＦＰガスがプルトニウム･スポットにおいてもっとも激しく発生することは、キセノンガスの測定によって確かめられている[4]。プルトニウム・スポットでは局所燃焼度が１００GWd/t以上になるほどに核分裂が盛んに起こるためである。そのＦＰガスは燃焼度が高まるとともに周辺の酸化ウランの結晶粒界などにしみ込んでいき、それらの小さな泡はやがてスポット付近で大きな空洞を形成する。このようにしてペレット内に保持されるのであるが、やがてそれらのガスは、亀裂などを通ってペレット外へと放出される。プルトニウム・スポットのないウラン燃料との挙動が違うのは当然である。このような亀裂の発生などは確率的な事象として起こるであろうから、あるＭＯＸペレットで起こることが別のペレットでも常に起こるとは限らないというように見るべきである。いずれにせよ、これらの挙動が理論的に解明されているのとは程遠い状態にある。 前記第９５部会の回答のようにごまかしの説明をしてまで確定された事象であるかのように見せるのは、きわめて危険な態度だと言わざるをえない。 ３．制御棒飛び出し事故時の問題 制御棒がいきなり飛び出す事故では、核分裂が一気に進んで出力が増え、ＦＰガスもそれだけ発生する。ウラン燃料であっても、高燃焼度であると結晶粒界に蓄積したガスの小泡が熱によって膨張して、燃料ペレットをほぼ結晶粒単位でバラバラにし、同時に酸化や水素脆化により弱っていた被覆管が破壊されて粉々燃料が冷却水中に飛び散る。このような現象が、大飯原発や高浜原発で照射された燃料棒を用いた原研での実験によって確かめられている。その結果は公式に重視され、RIE報告書として１９９８年４月に原子力安全委員会によって確定された。 ＭＯＸ燃料ではプルトニウム・スポットのために、ガスの発生や粒界での蓄積などがウランより激しい傾向にあるのだから、燃料の破壊がより進みやすいことが十分予測できる。高燃焼度ＭＯＸ燃料を用いた実験はフランスのカブリ炉で行われ、燃料が破壊されているが、そのときの出力は高かった。そのためにＲＩＥ報告書では、ＭＯＸ燃料はウラン燃料と同等の挙動をすると想定すればよいとされている。ところが、カブリ炉では冷却材としてナトリウムが使われており、水冷却とは挙動が異なることが指摘されている。そのため、水冷却による実験を共同出資で実施すべきだとの話が持ち上がったこともあったほどである。 要するに、高燃焼度ＭＯＸ燃料が制御棒飛び出し事故時にどのような挙動をするかについては、まだ実験的に確認されていないということだ。理論的にも前記のようにウラン燃料と本質的に同じだとする扱いしかなされていない。原研ではこれから高燃焼度ＭＯＸ燃料の実験をすることになっているのだから、その結果を待って判断すべきである。 ４．世界に例を見ない玄海３号プルサーマルの危険な実験  プルトニウム・スポットの存在とその影響に目を向けるならば、ＭＯＸ燃料でもっとも問題になる指標はプルトニウム富化度だということになる。日本のＰＷＲで使用するＭＯＸ燃料では、プルトニウム富化度は右表のようになっている。核分裂性プルトニウム富化度の集合体平均値は６．１％であり、中でも７．１５％の燃料棒が全体の６７％を占めている。政府や電力はプルサーマルについて海外での豊富な実績を強調するが、フランスやドイツでの富化度はどうだろうか。核分裂性プルトニウム富化度のＭＯＸ集合体平均値で見ると、フランスでは３．０〜３．７％、ドイツでは３．１〜４．６％であって、日本の６．１％より相当に低い[5]。それだけプルトニウム･スポットの影響は小さいということである。 プルサーマル炉の出力では、フランスでは９０万ｋＷ級までに制限されていて、玄海３号のような１２０万ｋＷ級は許可されていない。また、ドイツの実績が強調されているが、プルサーマル炉に装荷した核分裂性プルトニウム量の実績は、２０００年１２月時点で、最大で１２４８ｋｇ（ブロックドルフ）であり、第２位はウンターベーザーの９１８ｋｇである。ところが玄海３号プルサーマルでは１４８８ｋｇが装荷されることになっている。 玄海３号プルサーマルが世界に例を見ない危険な実験であることは明らかである。 参 考 文 献 [1] 原子炉安全専門審査会・第９５部会 資料 １９９８年[2] 平成１２年度 燃料集合体信頼性実証試験に関する報告書（１／３炉心混合酸化物燃料照射試験編）、平成１３年３月、（財）原子力発電技術機構 [3] MOX Fuel Performance and Development. P.Blanpain et al., TopFuel 2001. [4] Plutonium Recycling in French Power Plants: MOX Fuel Irradiation Experience and Behaviour. P.Blanpain et al., Technical Committee Meeting on Recycling of Plutonium and Uranium in Water Reactor Fuels, 3 to 7, July 1995. [5] プルトニウム利用に関する海外動向の調査（０４） ２００５年３月、ＫＫ．アイ・イー・エー・ジャパン |
