最終処分の話をしようや (3): 最終処分とは? 放射性廃棄物の処分方法

[:ja]前回は放射性廃棄物は何かの話をしました．今回はその処分の方法についてのお話です．

放射性廃棄物を処分する手順

現在，まだ放射性廃棄物に含まれる放射性物質を無害化する実用化された技術はありません．そのため，放射性物質が減衰して放射能濃度が下がるのを待つしかありません．ですから，放射性廃棄物を最終処分場に長期間保管して，人体や周辺の環境にできるだけ影響のないようにします． 廃棄物のうち，低中レベル放射性廃棄物は熱を発生しないので，基本的にはすぐに最終処分が可能です．しかし，次の理由から現状では一時的に中間貯蔵しています:

• 最終処分場がない (例: 日本をはじめとしてほとんどの原発立地国)
• 最終処分場があっても順番がくるまで時間がかかる

高レベル放射性廃棄物は高温の熱を発しているので，まずそれを冷却しなければなりません．そのため，中間貯蔵施設に保管して冷えるのを待ちます．高レベル放射能廃棄物である使用済み核燃料は，まず原子建屋内にある燃料貯蔵プールで通常3〜5年間冷却します．次に，中間貯蔵施設に30年から50年保管して十分に冷えたら，最終処分します．この中間貯蔵についてもどこで，どう保管するかの問題があります． また，ごくわずかですが，日本など使用済み核燃料を再処理している国もあります．その場合は，使用済み核燃料を原子炉建屋内の燃料貯蔵プールに保管した後，再処理施設に送るまで原発サイト内の貯蔵プールに保管します．日本の場合ここまでで約 10 年をかけます．再処理の際に出る廃液などは，高温で溶かしたガラス成分と一緒にキャニスタという容器にいれ，ガラス固化体とします． 中間貯蔵では，原発サイト内毎に分散して保管するか，数ヵ所にまとめて保管します．ドイツの場合は現在，使用済み核燃料はサイト内で分散保管，ガラス固化体は一ヶ所で中央保管しています． 保管する方法には，貯蔵プールに直接入れて水で冷却しながら保管する方法（プール式）と，保管容器に入れて地上の倉庫で空気で冷やしながら保管する方法（乾式）があります．水を使うプール方式は比較的場所をとらず,特別な容器も必要ないので，その分コストを低くできるという利点はありますが，地震などでプールに亀裂ができて水が漏れてしまうと，空焚きになってしまう危険があります． 乾式では自然に空気だけで冷却するのでこのような問題は回避できますが，中性子線を周辺の環境に放出している危険があります．日本は地震が多いにもかかわらず，貯蔵プール方式を採用しています．ですから，たとえ原子炉がすべて停止していても，日本には常に地震によって大惨事が起きる危険があることになります． ドイツは乾式を採用しています．ドイツの例はゴアレーベンにあります．勉強会ではゴアレーベンの映像を拝見しました．キャスクと呼ばれる排熱フィンのついた保管容器を貯蔵施設内に立ててある様子がありました． どちらの方式にせよこの中間貯蔵所で30年から50年冷却された後，最終処分がなされます．この手順を次の図 3にまとめます．

図 3. 使用済み核燃料の処分の流れ

やまうちメモ

ガラス固化体についての補足:

ガラス固化体は製造直後は人間が近くにいれば20秒で死亡するという高い放射線を発しており，表面温度は200度C を越えます．(電気事業連合会のホームページより[1]) これも中間貯蔵して30年から50年間冷却します．再処理でのプルトニウムは MOX燃料とする．または核燃料サイクルで利用するという研究がこれまで40年間以上続けられてきていますが，こちらの計画の見通しは現在はまだたっていないようです[2]．

核種変換技術についての補足:

核種変換の技術というと名前はなかなか難しいのですが，原子核の種類を変更するという技術です．核分裂の技術はその一種です．これが自由にできるとなると原子の種類が変更できるすごい技術で，人類はこの技術を数千年も追い求めて，化学という分野を作りました．たとえば，鉛を金に変換する技術も核種変換技術ですが，しかし，まだ大量の放射性廃棄物を実用的に処理できる技術はないようです．日本ではオメガ計画[3]というプロジェクトがあります．

次回

放射性廃棄物は基本的には長期間保存して放射線が弱くなるのを待つ以外には安全にする決め手がないようです．次回はその第一段階，(最終の前の)中間貯蔵についてです．

参考文献

1. 電気事業連合会, 原子力発電について: ガラス固化体, 2014, (accessed 2014-12-21(Sun))
2. 東京新聞, 45年で10兆円投入．核燃サイクル事業めどなく, (accessed 2014-10-04)
3. Wikipedia ja, オメガ計画, , (accessed 2015-3-28)

[:en]

Procedures of handling the nuclear waste

Until now, we do not have a practical technology to render the nuclear waste innocuous. Therefore, what basically we can do is to wait for the nuclear waste to become low enough in radioactivity due to decay. To do so, we need to store the nuclear waste in a safe storage for a long time until it does not harm the environment.

The low level and middle level nuclear waste do not generate much heat, so it would be possible to store them in the final disposal storage immediately. But, what happened is that it gets stored in a middle term storage due to either of the following reasons:

• There is no such final disposal storage (Most of the countries that have nuclear reactors have no final disposal storage. Ex. Japan.)
• The process would take too long, even when there is a final disposal nuclear waste storage.

Since high level nuclear waste generates high temperature heat, we first need to cool it down. We store them in an interim storage facility to wait for it to cool down. Used nuclear fuel is a high level nuclear waste. First we usually store it in a fuel storage water pool for three to five years to cool it down. Next, we store it in a interim storage facility for 30 to 50 years. If it has cooled down enough, then we store it in a final disposal facility. There are some issues with this interim storage facility, for example where should we store and how should we store.

Japan also reprocesses used fuel, it is one of a few exceptional counties since most of the countries do not any more. In this case, the used fuel is stored in a fuel storage pool in the nuclear reactor building until it is sent to a reprocessing facility. This process of cooling down takes approximately 10 years in Japan. Reprocessing generates nuclear liquid waste as a by-product. One way to stabilize this waste is through vitrification. In the vitrification process, the high level waste is mixed with fragmented glass and melted. This is stored in a steel container called “canister.”

There are two interim storing strategy: 1. geologically distributing them among the nuclear power plants, 2. concentrating them in a few interim storage sites. In Germany, the used fuel is distributed among the nuclear power plants and the vitrified waste is stored in one storage facility.

There are two storing methods: 1. a used fuel pool method, where the used nuclear fuel is put in a water pool and cooled down with water. 2. A dry cask storage method, where the used fuel is put in a canister which in turn is put in a storage place on the ground and cooled down with air. The used fuel pool method needs less space than the dry cask storage method. It does not need special storage cases. Therefore, the cost of pool method for the used fuel lower than the dry method. However, if the water pool loses water for some reason, e.g., because of an earthquake, it is quite dangerous. The dry method needs more space but cooing only needs natural air, therefore this method can avoid the problems the pool method can have. But this method might still pollute the environment with neutron radiation. Despite Japan having relatively frequent earthquakes compare to other countries, the pool method is used. This means that even if all the nuclear reactors would not run, Japan is always under danger because of earthquakes.

Germany uses the dry method. The interim storage facility of Germany is located in Gorleben. In our meeting we saw a documentary film that shows the facility in Gorleben. We saw many casks with fins for cooling in the facility.

In either case pool or dry method, the waste is first stored for 30 to 50 years in the interim storage facilities, afterwords, it will be put in the final disposal storage facilities. This process flow is shown in Figure.

Yamauchi’s memorandum

Supplemental information on vitrified waste:

Vitrified waste emits high radiation right after having been generated, so high to kill a person near will die in 20 seconds. Its surface temperature is more than 200 degree C. (c.f. The web site of “The federation of electric power companies of Japan”[1])

This waste will be stored and cooled down for 30 to 50 years in a interim storage site. Reprocessed plutonium can be turned into a MOX (mixed oxides) fuel, Or, alternatively it can be reused in the nuclear cycle. A national research institute has been established to develop a feasible nuclear cycle, and this research has been going on for over 40 years (and 10 trillion yen been spent), but still there is no plan [2] and the government continues to invest on this.

Supplemental information of nuclear transmutation technology:

Nuclear transmutation technology is fundamentally a technology that is able to change the atomic elements. Nuclear fission is one of such technologies. Mankind has spent a few thousand years to efforts in a field called “chemistry” in order to be able to do precisely this. Element conversion at will is a very old dream of mankind. For example, alchemists were looking for a method to convert lead into gold. This is what nuclear transmutation technology could do, but unfortunately we still do not have a practical technology to achieve that, especially to process a large amount of nuclear waste. A national funded project in Japan, the Omega project [3] is an endeavor of such kind.

References

1. 電気事業連合会 (The Federation of Electric Power Companies of Japan), 原子力発電について (About Nuclear power plant): ガラス固化体 (Vitrified radioactive waste),  ([Online; accessed 2014-12-21(Sun)])
2. 東京新聞 (Tokyo Shinbun), 45年で10兆円投入．核燃サイクル事業めどなく (10 trillion yen been spent for 45 years, still no plan of nuclear cycle), [Online; accessed 2014-10-04]
3. Wikipedia ja, オメガ計画 (Plan Omega), [Online; accessed 2015-3-28]

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