日本における高速炉の課題
高速炉は、使用済燃料に含まれるプルトニウムを分離・回収して再利用する「核燃料サイクル」の中核となる。国内では、1977年に初臨界を達成した基礎段階の実験炉「常陽」、1994年に初臨界を達成した発電できる原型炉「もんじゅ」を開発した。しかし、トラブルが相次いだ「もんじゅ」は、2016年に廃炉が決定した。
高速増殖原型炉「もんじゅ」の失敗
日本原子力研究開発機構（JAEA）の 「もんじゅ」（電気出力：28万kWe）の原子炉本体は、燃料集合体（炉心燃料、ブランケット燃料）、制御棒集合体、中性子反射体（中性子遮蔽体）などを、液体ナトリウム（Na）を浸した鋼製の原子炉容器に納めている。
原子炉容器上部には制御棒駆動機構、燃料交換機などを取り付けた遮蔽プラグを設置し、液体Naの液面上部には不活性なアルゴンガスが封じ込められている。また、原子炉容器からNa漏洩事故が生じた場合でも、炉心の崩壊熱除去に必要なNa液位を保つため、ガードベッセルが容器外周に設置されている。
炉心で発生した熱を原子炉冷却材（一次主冷却系）の液体Na(529℃)により除去し、一次主冷却系中間熱交換器に伝え、放射化されない原子炉冷却材（二次主冷却系）である液体Na（505℃）が過熱器・蒸発器で蒸気（483℃、12.5MPa）を発生させ、蒸気タービンを回転させて発電する。
1994年4月に高速増殖原型炉「もんじゅ」は初臨界に達した。しかし、1995年12月には原子炉冷却材であるNa漏れによる火災事故が発生して停止した。2000年5月に試験運転を再開したが、同8月には点検停止中に核燃料交換用装置を原子炉容器内に落下させる事故を起こした。
運転再開の準備中、2012年11月に立ち入り検査した原子力規制庁が、4万9千点近くある機器の約1万点の点検期間設定などが適切でないと指摘。2013年5月、原子力規制委員会が運転再開の準備停止を命じ、11月には諸問題からJAEAに代わる運営主体を探すよう、監督官庁の文部科学省に勧告した。
原子力規制委員会は、新たな運営主体が見つからない場合は廃炉を含む抜本的な見直しを求めた。結局、総事業費1兆1313億円で開発した「もんじゅ」は運転実績がほとんどなく、会計検査院による研究達成度は16%に留まり、2016年12月に廃炉が正式に決定された。JAEAの運営体制が否定されたのである。
廃炉は第一段階（2018～2022年）で核燃料の取り出しと2次系Naの抜き取り、第二段階（2023年以降）に最も困難とされる1次系Na冷却材の取り出しなど、第三段階（未定）ではNa機器の解体・撤去、第四段階（～2047年度完了）で建物などの解体・撤去の手順で進められる。
出典：日本原子力研究開発機構
増大するプルトニウム問題
核燃料サイクルが機能してプルトニウムを燃やさない限り、核兵器に転用可能なプルトニウム保有量は増え続ける。日本は使用済燃料からプルトニウムを取り出す再処理を許された唯一の非核保有国である。1988年に発効された日米原子力協定は、2018年7月に30年の期限を迎えて自動延長された。
高速増殖原型炉「もんじゅ」の失敗で、日本の核燃料サイクル政策は行き詰まった。米国は核不拡散の観点から日本にプルトニウム量の削減を求めている。これを受け、日本の原子力規制委員会はプルトニウム保有量を減らし、現在のプルトニウム保有量約46トンの水準を越えない方針を決めた。
日本が保有するプルトニウムのうち約37トンは、使用済み燃料の再処理を委託する英国とフランスにある。米国は海外の在庫も問題視しており、日本政府内では英仏への譲渡案も浮上しているが、交渉は始まらず実現は見通せない。現在は、再稼働している原発でのMOX燃料の消費のみで行われている。
2022年6月、JAEAは廃炉作業中の新型転換炉「ふげん」（出力：16.5万kW）の使用済燃料を、フランスで再処理して抽出したプルトニウムをフランスへ譲渡すると公表した。JAEAは2023年から搬出を開始し、2026年までに完了させる計画で、フランスでは譲渡されたプルトニウムを民生用原発の燃料として使う。
2026年3月、廃炉作業中の「もんじゅ」の使用済MOX燃料の再処理施設について、有力視していたフランスの特殊燃料処理施設（TCP）の新設計画が白紙撤回された。フランス政府は、既存の再処理施設をMOX燃料にも対応できるように建て替えるとしているが、2034～37年度と遅れる。
仏政府出資の原子力企業オラノは、既存原発の使用済燃料で実績があるラアーグ再処理工場への、高濃度プルトニウムを含むMOX燃料を切断・溶解する工程の組み込みが技術的に困難と判断し、建設費などの資金を確保するめどが立たなくなった。
「もんじゅ」の使用済燃料は465体で、プルトニウム約2トンが含まれる。JAEAは2028年までに運転開始のTCPでの処理に期待していたが、国外への搬出計画がとん挫する可能性が高い。
高速炉開発の戦略ロードマップ
フランスとの研究協力
2014年8月、JAEA、三菱重工業、三菱FBRシステムズは、フランス原子力・代替エネルギー庁と、アレバが2030年頃の稼働をめざす高速炉実証炉「ASTRID」（出力：60万kW）とナトリウム冷却炉の研究協力で合意。
2016年12月、「もんじゅ廃炉」が決定した後、政府はプルトニウム増殖に重点を置かない「高速炉」の開発に向け、今後10年はもんじゅ廃炉と並行して、液体Naの取り扱いなど安全性研究を進めるとした。
2019年9月、フランス政府が資金難で高速炉実証炉「ASTRID」の中止を発表した。2019年12月、JAEA、三菱重工業、三菱FBR、フランス原子力・代替エネルギー庁、フラマトムの間で、ナトリウム冷却高速炉のあらたな開発協力を締結してシミュレーションや実験などを進めている。
米国との研究協力
2017年3月、GE日立ニュークリア・エナジー（GEH）は、最新鋭のNa冷却プール型高速炉（出力：10万ｋW）の開発で、Na冷却技術を有する米国ARCニュークリアとの提携を発表した。カナダでの認可取得を進め、北米で2020年代後半の実用化をめざす。
2017年6月、GEHと米国原子力発電事業社エクセロンを含む米国5社は、ナトリウム冷却方式の小型モジュール高速炉「PRISM」（出力：31.1万kW）の許認可取得で協力するため、チーム結成協定を締結した。プルトニウムなど超ウラン元素の燃焼消費による核燃料サイクルに重点を置いた設計を進める。
採用される原子炉容器補助冷却システム（RVACS）は、格納容器の外側から空気の自然循環によって炉心崩壊熱を除去するシステムで、電源および運転操作を必要とせず高い安全性と信頼性を実現する。冷却材のナトリウムと良好な共存性を示す金属燃料（U-Pu-Zr三元系合金燃料）が採用される。
2018年12月、高速炉開発「戦略ロードマップ」が閣議決定され、高速炉開発は「ウラン需給状況等を踏まえ、中長期的には資源の有効利用でエネルギーの自給に大きく寄与し、高レベル放射性廃棄物の減容化・有害度低減に必要である」とし、実証炉の開発を国際協力で進める方針を明らかにした。
政府は高速炉開発を政府主導から民間の技術競争を促すために財政支援を行い、米国のナトリウム冷却式の多目的試験炉「高速スペクトル中性子照射試験炉（VTR）」（熱出力：30万kW）への参画方針を示した。VTRは「PRISM」をベースにGEHが設計を担い、早ければ2026年頃の運転開始をめざす。
2022年1月、JAEA、三菱重工業、三菱FBRシステムズ（MFBR）は、米国テラパワーとナトリウム冷却高速炉技術に関する覚書を締結し、日本が蓄積した技術をテラパワーに提供することで合意した。
テラパワーは、米国エネルギー省（DOE）の「先進的原子炉実証プラグラム」（ARDP）による支援で、小型ナトリウム冷却高速実証炉「Natrium」（出力：34.5万kWe）の開発を進めており、西部ワイオミング州に石炭火力の代替として、2028年以降に稼働する計画である。
2022年12月、日本における高速炉開発「戦略ロードマップ」が改訂された。2023年夏頃に炉概念の仕様を選定し、2024～28年度に実証炉概念設計・研究開発を行う計画で、失敗に終わった”もんじゅ”に代わる「原型炉」は建設せず、2040年代に経済性を検証する「実証炉」を稼働する目標が掲げられた。
2023年6月、高速炉開発「戦略ロードマップ」を受けて、電気事業連合会は「原子燃料サイクルの早期確立に向けた事業者の取組について」を発表。すなわち、2030年度までに少なくとも原子炉12基でのプルサーマルを目指し、使用済みMOX燃料の再処理実証研究を進める。
2023年7月、資源エネルギー庁は高速炉実証炉の開発に向け、三菱FBRシステムズ（MFBR）の「ナトリウム冷却タンク型高速炉」（出力：65万kWe）を選定し、製造・建設を担う中核企業として三菱重工業を選定した。
選定された「ナトリウム冷却タンク型高速炉」は、同じナトリウム冷却炉でもループ型の「もんじゅ」とは異なる仕様であるが、フランス、中国、インドなどの海外では多く採用されている。
出典：三菱FBRシステムズ
2023年10月、JAEA、三菱重工業、三菱FBRシステムズ、米国テラパワーの4機関は、2022年1月に締結した覚書を高速炉の実証計画を含む内容に拡大することで合意。実証炉開発で先行するテラパワーが日本側に技術支援を行う内容で、高速炉の大型化検討や金属燃料の安全性評価などが追加された。
2024年7月、経済産業省は、高速炉の研究開発を担う新組織を日本原子力研究開発機構に設置。「高速炉サイクルプロジェクト推進室」を中心に実証炉をめざす。日本原子力発電が室長、大手電力各社も出向者など30人程度を派遣。新高速炉に用いる核燃料技術を2026年度頃に選定する。
原子力規制委員会の審査手続きや、米国やフランスとの共同研究にも取り組む。概念設計を担う中核企業として三菱重工業を選定しており、2028年度頃に設計の詳細化や許認可手続きへ進むかどうかを判断し、2040年代の運転開始を目指す。
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