JP2013064710A - Ｒｉ電池による原子炉由来の放射性廃棄物の利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力発電所または再処理工場等における使用済み核燃料、高レベル放射性廃棄物、放射化された使用済み制御棒また福島第一原発の事故による高濃度放射性冷却水を利用するＲＩ（ラジオアイソトープ）電池を提供する。
【解決手段】ＲＩ（ラジオアイソトープ）電池は、放射性廃棄物によるＲＩ２からの崩壊熱によって溶解塩１が加熱され、熱伝導体筒３を介して熱電変換素子４の一端を加熱することで発電を行う。ＲＩ電池は、原子力発電施設等で使用され、外部電源に依存することなく電力を安定して供給可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は大容量の”崩壊熱電池”または別称”ＲＩ（ラジオアイソトープ）電池”のマイクログリッド接続等による原子力発電に関連したさまざまな未解決であった放射性廃棄物問題の解決の方法と装置に関するものである。

”崩壊熱電池”または”ＲＩ電池”（以下ＲＩ電池と呼ぶ）には自然の放射性ウラン（半減期７億年および４５億年）、放射性トリウム（半減期１４０億年）、放射性カリウム（半減期１２億年）など地球内部からの自然のエネルギーによるものと原子力発電炉などから核分裂により人工的に生成される二種に大別される。地球の換算崩壊熱電力の総量は２０テラワットで地球全体のエネルギーの５０％に相当している。ＲＩ電池としては従来は数ワットから最大でも１キロワット前後のものしか存在しなかった。その用途も灯台の照明や宇宙船などでの小規模装置に限られていた。
そして、いずれも単体で使用されてきて複数のＲＩ電池をコンピューター制御するスマートマイクログリッド（後述）の形で使用されることはなかった。

世界中の原子力発電機はいずれも”トイレのないマンション”と批判されてきた。使用済み核燃料や高レベル放射性廃棄物を処理する技術が再処理工場の費用だけでも十兆円を越えていながらもいまだ完成に見通しのないという深刻な課題を有している。最終貯蔵場も都市から離れた過疎地を探しているが引き受手や国外の引き受け国の合意を得るのに苦慮している。

国内の使用済み核燃料の一部はフランスやイギリスの再処理工場に送られ、プルトニウムとウランを抽出したのち高レベル放射性廃棄物に分離される。これらは日本から一時的に分離を依頼したフランスやイギリスに貯蔵されていたが、契約上の委託貯蔵期間がきめられていて、日本に順次、送り返され始めた。六ヶ所村での使用済核燃料容量は３０００トンといわれている。しかし日本国内においては、その最終保管場所もそこに安全に貯蔵するための技術も未完成な現状であるのにも拘らず、放射性廃棄物の量だけが増加しつづけていて、我が国にはこれをなんとか解決したいという課題が残っている。

使用済み核燃料とプルトニウム、回収ウラン、高レベル放射性廃棄物のほかに原子炉の発電出力を調整するために制御棒が必須であるがこれがグラファイト等の炭素から構成されているために、放射性炭素１４のレベルが極度に高くなっていてその処理をしなけらばならないという極めて困難な課題も合わせて抱えつづけている。

さらにフランスやイギリスに依頼している再処理の量にも限界があり使用済み核燃料は世界的にも増加するばかりである。日本では多くは六ヶ所村の再処理施設上に貯蔵格納されているが、いまや保管場所に困ってか５０基を越える原子力発電所では格納容器の横に冷却プールを併設して発電と使用済み核燃料の冷却の同時運転をせざるをえない状況にもある。たとえ原子炉を止めても、想定外の事故にて冷却機能を喪失すると深刻な放射能漏れや臨界事故の危険性は除去できないことが福島第一原発事故によって大多数の国民が理解することになった。我が国はこのような問題を解決しなければならないという極めて困難な橋わたりの状況をつづけている。これら以外にも六ヶ所村の再処理工場のみで福島第一原発の総排出量と同程度の３３京ベクレルの大気への排出が容認されている問題なども指摘されている。まず原子炉をすべてとめても放射能汚染の問題は解決しなければいけないという課題がある。再処理工場問題をどう収束するかも重要な課題である。

運転中の原子炉とともに使用済み燃料プールは長年にわたる崩壊熱があるために中断することなく冷却を継続しなければならない。２０１１年３月１１日の東日本大地震と大津波により、福島第一原子力発電所の１号機から４号機までの外部電源が遮断されて原子炉等の冷却のための非常用ディーゼル発電機の運転が不可能になる事故が発生し、これが水素爆発を引き起こしメルトダウンにまでいたった。我が国と同様世界中の多くの原子力発電所も使用済み核燃料の信頼できる連続的な冷却方法という積年の課題を抱えている。

福島第一原発での大事故が起きた後、原発自身とその周辺の放射能レベルが著しく上昇し、作業員の被曝量は危険なほど増大し修復作業に大きな支障を来している。その作業は人海作戦に頼らざるをえないという大きな課題を残している。作業員の被曝を減らす為に一部の限定的な作業にロボットが導入されているが、ロボットにはその動力源の供給のために電力ケーブルを使わざるをえないためその作業能力と範囲、時間と空間、に著しい制限が課せられる。この動力源を従来のバッテリーにした場合には容量が小さいための限界があるため、十分な作業能力を期待できないという課題がある。またこのような極限環境ロボットは環境放射能のたかい、再処理工場でも有効である。

本発明は上記従来の大部分の課題を解決するもので従来のＲＩ電池よりも数倍から数百倍の大きな出力をもった高出力ＲＩ電池装置グリッドシステムの製造とその効用に関するものである。

ＲＩ電池は一般にはその寿命は既存の電池に比べれば圧倒的に長寿命である。それでも放射性核種に応じた半減期をもつので出力容量はゆっくりとではあるが減衰していく。ノートブックパソコンなどではたとえ、電池からの供給能力が減って行っても寿命のあるかぎりは問題はないが、用途によってはこのＲＩ電池で駆動される装置はできるかぎり一定の容量にちかづけたいという要求があるがＲＩ電池による電力供給能力を経時変化によらず、此れを補償し一定に近づけることも課題となる。

ＲＩ電池にはさまざまな原理のものがあるが、本発明装置では効率の高い熱発電方式（または温度差発電方式とも呼ぶ）を採用する。熱発電方式でも温度差によるゼーベック効果を利用した熱変換電気素子またはスターリング発電機を採用する。これらの変換効率は３０％前後まで達する。
過去の実績から発電量と放射能のおよその関係はおよそ１ｋＷ〜２０ＧＢｑ、１ＭＷ〜２０ＴＢｑ程度である。
また崩壊熱はおよそ１０年で０．０１％である。

熱発電方式においては一般に熱力学第二法則から高温の熱発生が効率の点から望ましい。そのため、ＲＩの発生熱を高温状態に持っていく熱伝達媒体としてして液体相の溶融塩を採用する。溶融塩の以下の利点が利用できるからである：
． ・ 高温でも蒸気圧が低く、さらさらした液体。
． ・ 化学的に安定、電気化学窓が広い。
． ・ 種々の物質をよく溶かし、溶解度が大きい。
． ・ 導電率が高い。
． ・ 放射線に対する耐性に富む。
． ・ 液体のために空冷をしやすい

電力発生容量を経時変化にもかかわらず一定値にちかづけるために、一般的な構成として各ＲＩ電池は数ｋＷから１００ｋＷの間でモジュール化して、多数のＲＩ電池の電力供給するスマートマイクログリッドシステムとしてパワーコンデイショナーで出力を制御する。図２にその概略図を示す。

ＲＩ電池の原料はいままで処分できなかった量が大量にあり余っており我が国が原子力発電を稼働しているかぎり十分な量の電力供給が可能である。その累積総量は膨大ですでに放射性セシウムのみでも４．５兆キロワット時にも達する（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｒｉ．ｋｙｏｔｏ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ＮＳＲＧ／ｋｏｕｅｎ／ｔｏｙｏ０２２７．ｐｄｆ）という。このうち０．００５％を利用できるとすればおよそ放射性セシウムで２．２億キロワット時がＲＩ電池の容量になりうる。
本発明は従来は危険な廃棄物とおもわれていたが使用済み核燃料を有効資源に転換する、いいかえればあたらしいエネルギーサイクルとなり他国のＲＩの輸入処理も可能となり新産業化の可能性もある。

放射能レベルの高い事故後の格納容器の周辺の建て屋のなかでの極限環境でのロボットなど小型大容量のＲＩ電池ではシールドの量の少なくてすむプルトニウム２３８を採用する。

使用済み核燃料、高レベル放射性廃棄物、制御棒、プルトニウム２３９らのすべて放射能レベルは単位堆積あたり高い程望ましいので可能なかぎり濃縮して使用することで上記諸課題を解決できる。

ＲＩ電池グリッドシステムはスマートマイクログリッド電源方式なので、数個から数百個の個々の電源が接続されているためにそのうちの一部が故障を起こしても全体として停電になることは起こりえない。原子炉の冷却も使用済み核燃料の冷却系統も大震災やツナミにおそわれて従来のように外部電源が使用不可能になってもまったく問題となることはない。またスマートマイクログリッド方式により課題１０も容易に対処できる。従って原子力発電所および六ヶ所村の再処理施施設における、非常用電源の代替電源と使用済み核燃料の冷却系の電力はすべてＲＩ電池を電力源に置き換えることで上記諸課題を解決できる。

またこのＲＩ電池はモジュール型かつ可搬型にして、グリッドから取り外す事が可能で他の原子力発電所などまだこれをもたない施設が外部電源喪失などの事故を起こした場合に、搬入可能とする。

本発明のモジュール型大電力ＲＩ電池は従来不可能であった行き先のない使用済み核燃料、高レベル放射性廃棄物、プルトニウム２３９、劣化ウラン等を処分する必要がないどころか、逆にこれを長寿命ＲＩ電池として主に原子力発電所のなかにおいて有効利用を可能せしめる。

とくに核兵器の材料とはなるが、これまた莫大な投資をしてきたが見通しのない高速増殖炉の目指して来たプルトニウム２３８の代替エネルギー源化を可能とする。

また１０兆円前後の投資をしてきた再処理施設を核兵器には使用できないプルトニウム２３８の生成に向ける事で施設の有効利用が可能となった。

原子力発電所において高出力ＲＩ電池グリッドシステムを非常用電源として使用することで、大規模災害に対する安全性を強化を可能せしめる。

高レベル放射線レベルの作業環境や再処理工場などの極限作業ロボットとうの長時間・高出力電源・軽量・小型電源としての利用を可能せしめる。

本発明の実現により、福島第一原発にて危機的状態にあった我が国において、原子力発電の継続および改良に危機のシグナルがともり、エネルギー問題、地球温暖化問題、プルトニウム等の核拡散等による安全保障問題にたちこめていた絶望と暗雲を和らげる効果がある。

本発明はまた、軽水炉などの従来の原子力発電に替わる先進的原子力発電、例えば、トリウム溶融塩原子炉や加速器駆動核変換発電装置などにおけるプルトニウムを排出しないが、高レベル放射性廃棄物は免れない装置においても有効である。

第１の発明は、高レベル・高濃度放射性廃棄物を発熱源とする溶融塩炉等を利用した新型温度差型ＲＩ電池スマートグリッドシステムである。従来のＲＩ電池と異なり、発生出力が数十倍から数百倍である。単に使用済み核燃料の崩壊熱を利用以上にこれらを大容量で効率の高い安全かつ安定な電池を実現するにはたとえば数ギガワット級のトリウム溶融塩炉で使用されている溶融塩炉のような安全ですぐれた熱媒体の別分野の専門的な知見を取り入れるられる。

第２の発明は、発熱源として使用済み核燃料を用いた新型温度差型ＲＩ電池である。発熱源の形状・形態に応じた設計変更が必要であるが本質は上記第１の発明と同様である。

第３の発明は、使用済み核燃料から抽出したプルトニウム２３９またはこれから生成したプルトニウム２３８を発熱源とする新温度差型ＲＩ電池である。この二種の放射性物質は発生する放射線がことなり、遮蔽の熱さも大きく異なるために、具体的な形状や大きさが異なる。プルトニウム２３８は極限環境でのロボットのＲＩエネルーギー源として使用する。従来はすべてのロボットが長時間高出力の電源をもたず、かならず電源ケーブルをつないでいて、その空間的操作環境が限定されていたが本発明にてついにそれらの問題が解決された。

第４の発明は、高濃度放射性炭素１４を主とする制御棒を発熱源とする新温度差型ＲＩ電池である。この高濃度放射性炭素１４についてはいままではその処理法について有効な方法がなく本発明において新燃料サイクルが可能となる。

第５の発明は、福島大に原発の水素爆発による大量の高濃度の放射性冷却水の処理に放射性廃棄物をゼオライトなどのさらに高い濃度のフィルターのを発熱源とした新温度差型ＲＩ電池である。
この高レベル放射能汚染フィルターにもその処理法は過去において提案されていない。

第６の発明は、第１から第５の発明の温度差型ＲＩ電池をモジュール化して全体としてスマートマイクログリッド化した大出力の安定化電源である。放射性物質の半減期による容量減少分は毎年減った分以上をスマートマイクログリッドに追加することで補う事が可能である。またオフ・マイクログリッドとして取り外してからの使用も可能であり、他の原子力発電所など緊急時に移動しての電力供給を可能とする。以上のすべての電源は防水・防火仕様としツナミ等で水につかっても持続運転可能とする。したがってスマートマイクログリッド電力源は主として原子力発電所と六ヶ所村の核燃料再処理工場での非常用電源として災害時にも適用可能である。

以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態におけるＲＩ電池の基本コンセプトを示す実施例である。
溶融塩１はＲＩ（ラジオアイソトープ）２の崩壊熱にて加熱され熱伝導体筒３を介して熱電変換素子４の一端を加熱する。熱電変換素子４の他端はヒートシンク６を介して冷却フィン７で一部の熱を逃がす。熱伝導体筒３とヒートシンク６は熱絶縁部５で断熱されている。
図２は、スマートマイクログリッド母線８の下に複数の熱変換素子型ＲＩ電池９と複数のスターリングエンジン型ＲＩ電池１０を組み合わせた様子を示す。ここでいうスマートグリッドとは”デジタル機器による通信能力や演算能力を活用して電力需給を自律的に調整する機能を持たせることにより、省エネとコスト削減及び信頼性と透明性の向上を目指した新しい原子力施設内あるいは再処理施設内の電力網である”。すなわち中小規模のスマートマイクログリッドを意味する。

本発明は原子力発電施設のみでなく、膨大な使用済み核燃料や高レベル放射性物質そして高レベル放射性制御棒の新核燃料サイクルに関する。また主に原子力発電所にて外部電源に関係なく非常時においても安定な冷却システムの長時間運転可能な電池電源に関する。我が国はもちろん世界の原子力産業の安全性の根幹を実現する事業で、数十兆円の規模の新産業と雇用が創成が期待される。

本発明の実施の形態１である熱変換素子型ＲＩ電池の断面模式図 本発明の実施の形態１におけるスマートマイクログリッドの模式図

１溶融塩
２ラジオアイソトープ
３熱伝導体筒
４熱電変換素子
５熱絶縁部
６ヒートシンク
７冷却フィン
８スマートマイクログリッド母線
９熱変換素子型ＲＩ電池
１０スターリングエンジン型ＲＩ電池

Claims (3)

1. 原子炉由来の高濃度放射性廃棄物の崩壊熱を利用したＲＩ電池。溶融塩を用いる。
2. 請求項１によるＲＩ電池にて使用済み核燃料、放射性制御棒、高レベル放射性廃棄物の崩壊熱を利用した電力生成、特にプルトニウムの崩壊熱を利用した核物質のリサイクルを可能とする発電方法。
3. 請求項１によるＲＩ電池において原子力発電所や核燃料再処理工場での使用済み燃料の冷却ポンプの電源、強度の放射能環境における極限環境のロボットの数十年にも及ぶ超高寿命電池電源。