小型原子炉の忘れられた歴史（2015年）
Forgotten History of Small Nuclear Reactors (2015) (spectrum.ieee.org)
要約
この記事は、小型原子炉（SMR）の経済的な課題に焦点を当て、その歴史的背景を振り返っています。SMRは、大規模プロジェクトのリスクを軽減し、原子力復興の切り札として期待されていますが、過去にも同様の構想があり、経済性の問題で実現しなかった事例が多く存在します。特に、米海軍の原子力潜水艦用原子炉とは異なり、民生用原子炉は他の電力源との経済的競争に直面する必要があり、過去の陸軍や海軍の小型原子炉プロジェクトの失敗例が、現在のSMR推進における経済的ハードルを示唆しています。
全文翻訳
小型原子炉の忘れられた歴史
ミシガン州ニューポートにあるエンリコ・フェルミ原子力発電所1号機は、米国原子力委員会（AEC）からの資金提供を受けて建設された初期の小型原子炉でした。1963年に臨界に達し、1972年まで稼働しましたが、1966年には部分的な炉心溶融事故に見舞われました。
原子力産業では、「今日の標準サイズの原子炉と比較して、小型原子炉には経済的およびその他の利点がある」という魅力的な提案が再び広まっています。その考えは、大規模原子力プロジェクトの多額の財政リスクを軽減することで、広く議論されている原子力発電の復活を後押しする最善の選択肢は小型原子炉であるというものです。
気候変動への懸念からエネルギー計画担当者は原子力発電を選択肢として維持していますが、技術は南北アメリカおよびヨーロッパ全体で停滞または衰退しています。現在進行中の米国での2つの新しい原子力プロジェクトは、1970年代後半以来、同国で建設許可が初めて付与されたものです。世界的に見ると、BP Statistical Review of World Energy 2014のデータによると、原子力発電は2013年に全電力の約11パーセントを生産しましたが、1996年の最高値17.6パーセントからは減少しています。米国では、最近バーモント・ヤンキー発電所の閉鎖により、稼働中の原子力発電所の数は100基を下回りました。
この衰退の根本的な理由は経済性にあります。他の種類の発電と比較して、原子力発電は高価です。ウォール街の助言会社Lazardの2014年の報告書によると、新しい原子炉（政府の補助金、特に重大事故の賠償責任に関する補助金は考慮しない）から1メガワット時を発電するコストは92ドルから132ドルです。これに対し、天然ガスコンバインドサイクルプラントは61ドルから87ドル、風力タービンは37ドルから81ドル、大規模太陽光発電は72ドルから86ドルです。原子力の高コストは、原子炉の建設費用の非常に高さに直接起因しており、Lazardの推定では1メガワットあたり540万ドルから830万ドルです。これらのメガワットあたりのコストは、数十億ドルに相当します。例えば、前述の米国の2つのプロジェクトのうちの1つ、サウスカロライナ州ジェンキンスビル近郊で建設中の1,117MWの原子炉2基の最新見積もりは110億ドルです。
これらのコストは、小型モジュール炉（SMR）と呼ばれるものに特化した業界カンファレンスの2012年のパンフレットで認識されていました。パンフレットでは、従来の原子力プラントがもたらす「巨額の数十億ドル規模の課題」に言及し、「SMRは、数十億ドルの財政リスクを軽減し、電力需要に応じて段階的に成長し、より短く容易な建設スケジュールを提供する完璧な解決策である」「SMR市場はグローバルで非常に広大である」「要するに、電力業界は世界中で商業用SMRプロジェクトを渇望している」と宣言していました。
もしそうであれば、電力業界は失望する可能性が高いです。実際、小型原子炉は原子力の黎明期にまで遡り、ベンダーが新世代の技術を売り込む際に、この長い歴史を見過ごすべきではありません。歴史が明確に示しているように、小型原子炉は現代の提唱者が主張しているほど安価でも、建設・運用が容易でもないでしょう。
SMRは、10MWから300MWの出力を持ちます。現在世界中で稼働している最も一般的な原子炉タイプの平均860MWや、建設中の原子炉の平均980MWと比較してください。数十種類ある新しい小型原子炉の設計の中には斬新なアプローチをとるものもありますが、特に最初に建設許可を得る可能性が高いものの多くは、馴染みのある軽水炉のバリエーションに過ぎません。SMRのコストは、工場で製造されたモジュールを使用することで低く抑えられると提唱者は述べており、これは発電所自体での組み立てを限定的にするだけで済むとしています。
［画像: パネルボードの写真］
［画像: コンテナの写真］
［画像: 冷却配管の写真］
南極マクマード基地にあった米海軍のPM-3A原子力発電所は、南極大陸で最初で唯一の原子炉でした。1972年に、格納容器と冷却配管に亀裂や漏れが発生した後、閉鎖されました。最終的に、汚染された部品と14,400トンの土壌がカリフォルニアに輸送され、処分されました。写真：上：米海軍/国立科学財団（2枚）、下：米海軍シービー博物館
この基本的なアイデアは、実際には1940年代に遡り、米国空軍、陸軍、海軍がそれぞれ様々な種類の小型原子炉の研究開発を開始しました。1946年から1961年まで、空軍は長距離爆撃機を動力化するための原子炉を建設しようと10億ドル以上を費やしましたが、成果はありませんでした。プログラムを中止するにあたり、ジョン・F・ケネディ大統領は「予見可能な将来において軍事的に有用な航空機を達成する可能性は依然として非常に低い」と記しました。
海軍は、航空母艦や潜水艦向けの原子力発電の開発でより良い成功を収めました。しかし、これらは今日のSMR提案とはかなり異なる要件を持っています。潜水艦用原子炉は、例えば艦艇が加速する際に動力を供給するなど、過酷な条件下で動作するように設計されています。そして、民間の発電所とは異なり、海軍の原子力原子炉は他の発電源と経済的に競争する必要はありません。それらの圧倒的な利点は、潜水艦が燃料補給なしで長期間海上に留まることを可能にすることです。
米軍の初期の小型原子炉の中で、今日議論されているものに最も近いのは陸軍原子力プログラムから生まれたものです。これは8基の小型原子炉の建設につながりました。これらのいくつかは、現在SMRの魅力的な候補地として提案されている南極、グリーンランド、遠隔地の陸軍基地といった、まさに同じような孤立した場所に設置されました。この1969年当時の陸軍のドキュメンタリーは、プログラムの認識されていた利点を強調しています。
これらの場所での経験は芳しいものではありませんでした。例えば、南極のマクマード基地にあったPM-3Aは、「一次系統の漏洩や格納容器の亀裂など、いくつかの不具合が発生し、溶接が必要になった」と、ローレンス・H・スイドによるプログラムの公式歴史に記されています。プラントからの漏洩（米海軍が所有・運営していた）は、かなりの汚染を引き起こし、14,400トンの土壌が除去され、ロサンゼルス北部の海軍基地であるポート・ヒューエネメに輸送されて処分されました。
海軍の潜水艦用原子炉とは異なり、陸軍の原子炉は従来のディーゼル発電機に取って代わられる可能性があり、1976年に陸軍はプログラムを中止しました。スイドが書いているように、陸軍は「高度な設計の複雑でコンパクトな原子力プラントの開発は費用がかかり、時間がかかる」「そのようなプラントの開発と生産にかかるコストは、実際には原子炉が独自の能力を持ち、国防総省によって裏付けられた明確に定義された目標を満たす場合にのみ正当化できるほど高い」「陸軍とペンタゴンは、原子力側でのAEC（米国原子力委員会）の開発努力に見合う財政的支援を提供する準備をしなければならなかった」と結論付けました。
実際、AEC（米国エネルギー省および原子力規制委員会の前身）は小型原子炉に強い関心を持っていました。1950年代から、米国では数多くの民生用小型原子炉が提案され、最終的に出力300MW未満の原子炉17基が稼働しました。今日、それらは一つも稼働していません。
これらのプロジェクトの多くは、原子力発電を米国の電力会社に推進していたAECによって支援されていました。1955年1月に発表された最初の資金提供ラウンドは、「大型原子炉の開発に貢献するプロトタイプ原子炉」として役立つ小型ユニットに向けられたと、ウェンディ・アレンは1977年の報告書『Electricity Generating Nuclear Reactors: U.S. Development From 1946 to 1963』で述べています。
提出された4つの提案のうち、AECは3つに資金を提供しました。ヤンキー（後の、はるかに大きなバーモント・ヤンキーと混同しないこと）、ドレスデンI、そしてフェルミIです。これらのうち、フェルミは最もよく知られています。なぜなら、1966年に炉心溶融事故を起こし、ジョン・G・フラーの1975年の著書『We Almost Lost Detroit』や、ギル・スコット・ハーロンの同名の歌で鮮やかに描写されているからです。他の2基の原子炉は、目標とした目標を達成する上で比較的成功しました。185MWのヤンキー（ヤンキー・ロウとも呼ばれる）は31年間稼働しましたが、その廃炉には16年かかり、6億800万ドルを要しました。
前述のように、AECはこれらの原子炉を将来のより大きなものへのプロトタイプと見なしていました。彼らが小型原子炉よりも大型原子炉を好んだ単純な理由は、規模の経済です。原子炉の建設と運用に関連する多くの費用は、生成される電力に線形比例して変化しません。例えば、400MWの原子炉は、200MWの原子炉よりも建設に必要なコンクリートと鋼材の量は2倍未満で済み、2倍未満の人数で運用できます。1961年の『Science』誌に寄稿したAECのベテランメンバーは、「（化石燃料プラントからの）競争は確かに手ごわい」と懸念し、「現在の加圧水型原子炉技術では、大型プラントでより低い原子力発電コストを最も容易に達成できる」と示唆しました。
電力業界内では規模の経済への信頼が非常に強かったため、1960年代初頭には一部の電力会社が協力して、大規模原子力発電所の出力を吸収しました。
この一般的な考え方に直面し、小型原子炉の提唱者は、別の一般的な商業原則である「大量生産の経済性」に希望を託しました。例えば、ロサンゼルス水道電力局のゼネラルマネージャー兼主任技師であるサミュエル・B・モリスは、1955年にジュネーブで開催された最初の国際原子力平和利用会議に出席するためにわざわざそこまで行きました。そこで彼は小型原子炉の利点を主張し、「小型ユニットの数は大型ユニットの数よりも何倍も多い」ため、「小型ユニットの開発と反復製造において経済性がある」と述べました。
一方、地方の電力会社など、小規模な電力会社の代表者は、AECが大型原子炉に焦点を当てていることが事実上自分たちを排除していると主張しました。
［画像: 原子力発電所の写真］
［画像: エルク・リバー発電所閉鎖の写真］
短命に終わったミネソタ州の22メガワットのエルク・リバー原子力発電所からの電力は、石炭火力発電所からの電力の2倍のコストがかかりました。わずか3年半稼働した後、冷却システム配管に亀裂が入ったため、1968年2月に永久に閉鎖されました。写真：原子力規制委員会（2枚）
このような議論に直面し、そして大規模原子炉を支えられない地域に原子力発電を普及させたいという願望から、AECは1955年9月に第2回の資金提供を発表しました。今回は、目的のための手段ではなく、小型原子炉が目標でした。委員会は7件の提案を受け取り、そのうち2件に資金を提供しました。1つはミネアポリスの北西約50キロメートルにあるミネソタ州エルク・リバーの22MW原子炉、もう1つはオハイオ州ピクアの町近くの12MW原子炉でした。その後、プエルトリコ、プンタ・イゲラのボイリング・ニュークリア・スーパーヒーター（Bonus）原子炉と、ウィスコンシン州ジェノアのラ・クロス沸騰水型原子炉の2基がプログラムに追加されました。
エルク・リバーは、その運営者によって「田舎のアメリカ初の原子力発電所」として称賛されました。現在のSMRの構想と非常によく似て、既製部品から作られ、その原子炉容器は標準的な鉄道貨車で現場に輸送できるほどコンパクトでした。
原子炉の設計は、今日では2番目に一般的な原子炉タイプである沸騰水型原子炉のバリエーションでした。しかし、その燃料は珍しいもので、高濃縮ウラン（核燃料として典型的な量よりも連鎖反応を起こす同位体ウラン235を多く含む）とトリウムの混合物で構成されていました。多くの専門家は、ウランが枯渇するのではないかという懸念から、トリウムを長期的な原子力発電の希望と見なしていました。今日でも、トリウムが原子力エネルギーのすべての問題の解決策であると信じている人もいます。
電力実証プログラムに関する議会公聴会で、プラントを建設していたRural Cooperative Power Associationの社長であるO.N. Gravgaardは、「私たち田舎の電力会社は、必要に迫られてゼロから始めました。数年前まで電力は利用できませんでした…私たち田舎の電力会社は、この原子炉を経済的に成功させるために全力を尽くします」と述べました。
エルク・リバーの建設は1959年1月に始まり、原子炉は1962年11月に臨界に達しました。しかし、いくつかの部品の亀裂を含む様々な工学的問題により、3年半の遅延を経て、1964年7月になってようやく商業運転が宣言されました。1967年の議会公聴会によると、エルク・リバーの建設費は620万ドルから1600万ドルへと倍増しました。確かに、当時およびそれ以降に建設された他の原子炉は、初期見積もりの少なくとも3倍の費用がかかったため、エルク・リバーは比較的良く見えました。
5年以上かけて完成した原子炉にしては、エルク・リバーの稼働期間は驚くほど短く、わずか3年半でした。1968年2月に冷却システム配管に亀裂が入った後、原子炉は永久に閉鎖されました。100万ドルの修理費が見積もられたため、協同組合は修理しないことを選択しました。協同組合の広報担当者はシカゴ・トリビューンに対し、「特に原子炉があまり経済的でなかったため、その費用をかけたくないと感じた。小さすぎたからだ」と述べ、原子炉は石炭火力発電所からの電力の2倍のコストで電力を生産していたと付け加えました。
核物理学者のウォルト・パターソンが1976年の著書『Nuclear Power』で指摘したように、エルク・リバーは廃炉された最初の実証用原子炉となりました。原子炉容器は非常に放射能が高かったため、廃炉には遠隔操作で厚い鋼鉄構造を切断する新しい水中トーチの開発が必要でした。このプロセスは3年かかり、615万ドルを要しましたが、これは建設の初期見積もり額とほぼ同額でした。
照射されたウラン・トリウム燃料の処理も困難でした。最終的に、使用済み燃料はイタリア南部の再処理工場に輸送されました。
エルク・リバーが閉鎖されたのと同じ1968年、AECの小型原子炉の最後がグリッドに接続されました。それは50MWのラ・クロス沸騰水型原子炉でした。このプラントは18年間稼働しましたが、2012年のプラント使用済み燃料の処分に関するニュース記事によると、最終的には隣接する石炭火力発電所からの電力の3倍のコストがかかったとのことです。この記事では、元プラントマネージャーが「ラ・クロスプラントは素晴らしい設計だった。唯一の問題は、小さすぎたことだ」と引用されています。
それ以来、米国では小型原子炉は一つも稼働していません。実際、米国の原子炉のサイズは急増し、1970年代半ばには800MWから1,300MWのレベルに達しました。
［画像: フォート・セント・ブレイン発電所内部の写真］
コロラド州プラッテビルにある330メガワットのフォート・セント・ブレイン原子力発電所は、「超安全」と見なされた高温ガス炉設計でした。しかし、フル稼働することはほとんどなく、1989年に閉鎖されました。写真：原子力規制委員会
この成長傾向の唯一の例外は、実験的な330MW高温ガス炉、コロラド州プラッテビルにあるフォート・セント・ブレイン発電所でした。1976年に稼働を開始し、超安全と宣伝される設計でした。しかし、この原子炉は失敗でした。1988年の閉鎖決定に関するニューヨーク・タイムズの記事は、問題の要点を捉えていました。「最も安全な原子炉が、ほとんど稼働しないために閉鎖される。」国際原子力機関のデータによると、このプラントはフル稼働した場合の約15パーセントの電力を生産しました。
小型原子炉は他の多くの国でも建設されましたが、それらはすべて大型原子炉への足がかりとして機能しました。小型原子炉に関する最も最近の経験を持つ国はインドであり、最近まで220MWの重水炉を建設していました。これらは、提唱者が構想する今日のSMRの多くの特徴、すなわち控えめなサイズと、単一の電力会社とそのパートナーによって製造・運用される比較的標準化された設計を備えています。それにもかかわらず、インドの原子力当局は、これらを700MW以上にスケールアップすることを決定しました。結論：規模の経済は米国特有のものではありませんでした。
米国特有であり、同国が小型原子炉により大きな関心を寄せる理由となっているのは、米国の原子力プラントが民間電力会社によって運営されていることです。ほとんどの国では、政府管理組織が原子力原子炉を運営しています。民間電力会社はより厳格な予算を持ち、より厳しい資本制約に直面しているため、より安価な原子力原子炉の魅力があります。他の国が小型原子炉の開発に関心を持っている程度は、主に輸出市場を視野に入れたものです。
小型原子炉の夢は1960年代とともに消滅しませんでした。1980年代、原子力産業は、前十年紀に始まった原子炉建設における高コストとスケジュール遅延から立ち直っていました。そこで、原子力発電の提唱者は小型化のアイデアに戻りました。
1983年のジャーナル『Energy』に掲載されたアナリスト、ジョー・イーガンの論文は、小型でプレハブ化された原子炉のビジョンを提示しました。「400MWe未満の原子炉を工場で製造する斬新なアプローチは、原子力ビジネスの実用的な制約の多くを緩和する可能性がある」と彼は書き、「主要なプラントコンポーネントのプレハブ化と標準化により、キロワットあたりの資本コストを1,000MWモデルが現在誇るレベルまで引き下げることができる」と示唆しました。そのような工場組み立ては、規制の削減、建設時間の短縮、コンポーネントの品質問題の回避によって、さらにコストを削減できると彼は書きました。
「一度バージ（あるいは場合によっては鉄道車両）に組み立てられた原子炉は、海を渡り、川を遡り、あるいは大陸を横断して稼働サイトに運ばれるだろう」とイーガンは付け加えました。「そこで、購入者はプラントを係留し、200〜400 MWeの即時電力を得るために『キーを回す』だけだ。」
このビジョンは実現しませんでした。ターンキー原子炉が大陸を横断したり、川を遡ったりすることはありませんでした。当時も、以前と同様に、それらは高価すぎると判断されました。
残念ながら、原子力産業は選択的な記憶を実践し続け、うまくいかなかったアイデアを推進しています。今日、小型原子炉に関する主張、すなわち需要は大きく、建設は安価で迅速になるという主張において、歴史が再び繰り返されているのを目にします。
しかし、小型原子炉の歴史は、それらがフルサイズの原子炉よりも経済的であると示唆するものは何もありません。実際、記録は非常に明確です。例外なく、小型原子炉は、その低い出力と低い性能の結果として、生産したわずかな電力に対して高すぎました。結局、1966年にゼネラル・エレクトリックのアナリストが述べたように、「原子力発電は大規模プラントのビジネスであり、大規模プラントサイズで最も競争力がある」。そして、大規模原子力原子炉が競争力がないのであれば、小型原子炉がよりうまくいく可能性は低いです。さらに悪いことに、それらをより安価にしようとする試みは、原子力発電の他の問題、すなわち長寿命の放射性廃棄物の生産、核兵器との関連、そして時折発生する壊滅的な事故を悪化させる可能性があります。
著者について
M.V. Ramanaは、プリンストン大学のNuclear Futures LaboratoryおよびProgram on Science and Global Securityの研究員です。この記事では、彼は過去の小型原子炉について論じており、その多くは技術的な問題だけでなく、経済的な問題にも苦しんでいました。「それらの原子炉には多くの希望が託されていました」とRamanaは言います。「今日の小型原子炉設計に関する主張を考えると、以前のものの歴史は再訪する価値があります。」
さらに深く探るために
The World Nuclear Industry Status Report 2014 [pdf]、Mycle SchneiderとAntony Froggattによるものは、1992年以来断続的に発行されている、世界の原子力エネルギー開発をレビューするシリーズの一部です。この最新レポートには、国別および地域別の原子力エネルギープログラムの調査、原子力発電の経済性、原子炉の建設期間、複数の原子炉事故後の福島サイトの状況、再生可能エネルギーと原子力エネルギーのパフォーマンスの比較などが含まれています。
著者によって共同執筆されたいくつかの論文は、原子力発電の主な課題である核兵器拡散、壊滅的な事故の可能性、放射性廃棄物の生産、経済的競争力を克服するための小型原子炉の可能性を検証しています。記事は、「Resource Requirements and Proliferation Risks Associated with Small Modular Reactors」、Alexander Glaser、Laura Berzak Hopkins、M.V. Ramana共著、『Nuclear Technology』184: 121–29、2013年；「Licensing Small Modular Reactors」[pdf]、M.V. Ramana、Laura Berzak Hopkins、Alexander Glaser共著、『Energy』61: 555–64、2013年；および「One Size Doesn’t Fit All: Social Priorities and Technical Conflicts for Small Modular Reactors」、M.V. RamanaとZia Mian共著、『Energy Research & Social Science』2 (June): 115–24、2014年です。
Power Plant Cost Escalation: Nuclear and Coal Capital Costs, Regulation, and Economics [pdf]で、Charles Komanoffは、1970年代の米国における原子力原子炉と石炭火力発電所のコスト上昇の詳細な分析を提供しています。1981年に発表された彼の研究は、当時の一般的な見解とは異なり、原子力コストは実質的なインフレ調整後の terms で石炭火力発電所のコストの約2倍の率で増加したことを示しています。30年以上経った今でも、これらの結果は原子力コストが上昇し続ける理由を理解するための洞察を提供しています。
ジャーナリストのStephanie Cookeは、1980年代から原子力分野を取材しています。彼女の2009年の著書『In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age』（New York: Bloomsbury, 2009）は、原子力発電と核兵器の開発、そして両者の密接な関係についての説得力のある記録です。特にこの記事に関連するのは、1950年代と1960年代の原子力エネルギーを取り巻く希望と、それによって推進された原子力発電所政策、そしてこれらの初期発電所を経済的に競争力があるように見せるために用いられた様々な手段についての本の記述です。
M.V. RamanaのThe Power of Promise: Examining Nuclear Energy in India（New Delhi: Penguin India, 2012）は、インドの原子力エネルギー導入の歴史、特に220メガワットの重水炉の建設経験を記録しています。設計、建設、運用の標準化されたアプローチにもかかわらず、それらの多くは長期間の遅延とコスト超過に苦しみ、石炭ベースの火力発電所よりも大幅に高いコストで電力を生産しました。
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