レーザー励起による同位体の分離
濃縮ウランの製造方法

レーザー励起による同位体分離（SILEX）は、核兵器拡散のリスクが高まる可能性のある原子炉の燃料としてウランを濃縮するプロセスです。SILEXでは、レーザー凝縮抑制を利用して六フッ化ウラン（UF 6）内のウラン 235 同位体の振動モードを励起し、この軽い分子がガスジェットの外縁へより速く移動して、励起されていない重い238 UF 6に比べて凝縮に抵抗できるようにすると強く疑われています。[1]これは、商業的な可能性を探って研究されてきたこれまでのレーザー濃縮方法とは大きく異なります。1つは原子ウランを使用する方法（原子蒸気レーザー同位体分離（AVLIS））で、もう1つはレーザーを使用して235 UF 6からフッ素原子を解離し、濃縮された生成物を固体として沈殿させる分子的方法（分子レーザー同位体分離（MLIS））です。[1]

オーストラリアの企業 Silex Systems Limited は、この技術の最も著名な開発者ですが (Global Laser Enrichment コンソーシアムの一員)、頭字語 SILEX は、よく知られており、開発中であるか、世界中でさまざまな用途に使用されている、凝縮抑制を利用した物理的分離概念のみを指します。[2]操作パラメータ、機器の配置、レーザーとその機能は、SILEX タイプのプロセスごとにわずかに異なる場合があります (異なる名前で呼ばれる) が、凝縮抑制が利用される場合、特に AVLIS または MLIS で使用されるものと比較すると、物理的分離概念は同じです。

プリンストン大学の物理学者ライアン・スナイダーは、このプロセスは、新たな、よりアクセスしやすい技術的経路[2] [3]と検出不可能な特徴（小さな面積と高いエネルギー効率）を提供することで、核兵器のさらなる拡散につながる可能性があると示唆している。[1]

歴史

1970年代に、様々な分子レーザー同位体分離（MLIS）法の開発が 始まりました。これらすべてにおいて鍵となる物理プロセスは赤外線レーザーであり、これは六フッ化ウラン気体中の同位体の1つだけを振動励起します。これには16μm付近の波長が必要です。従来のMLISは、分子を解離まで励起し続け、その時点で五フッ化ウラン235として 結晶化しました

レーザー同位体分離研究は、当初の熱狂の後、1990年代にはほぼ放棄されました。主な理由は、ガス遠心分離機が技術的に成熟していた一方で、レーザー同位体分離には依然として広範囲で不確実な研究開発作業が必要であったためです。[4] しかし、オーストラリアはSILEX技術の研究を継続しました。

1996年11月、サイレックス・システムズ・リミテッド社は、ウラン濃縮技術の独占ライセンスを米国濃縮公社（USEC）に供与しました。[5] 1999年、米国とオーストラリアはSILEXの共同研究開発に関する国際条約に署名しました。[6] しかし、2003年にUSECはプロジェクトから撤退しました。[原著論文? ]

サイレックス・システムズは2005年に第2段階の試験を完了し、テストループ・プログラムを開始しました。2007年、サイレックス・システムズはゼネラル・エレクトリック・コーポレーション（GE）と独占的商業化およびライセンス契約を締結し、テストループをノースカロライナ州ウィルミントンにあるGEの施設に移管しました。同年、GE日立ニュークリア・エナジー（GEH）は、米国最大の原子力発電会社であるエクセロン社とエンタギー社との間で、ウラン濃縮サービスに関する基本合意書を締結しました。 [7] [原著論文？ ]

2008年、GEHはSILEX技術の商業化を目指し、グローバル・レーザー・エンリッチメント（GLE）をスピンオフさせ、SILEXプロセスを用いた初の商業用ウラン濃縮施設の建設を発表しました。米国原子力規制委員会（NRC）は、GLEによるテストループの操業を許可するライセンス修正を承認しました。また2008年には、世界最大のウラン生産者であるカナダのカメコ・コーポレーションが、GEと日立に加わり、GLEの共同所有者となりました。[8]

2010年には、SILEXプロセスが世界的な核安全保障に脅威を与えるのではないかという懸念が提起された。[9]

2011年から2012年にかけて、GLEはウィルミントンに商業用ウラン濃縮工場を建設する許可を申請し、許可を取得しました。[10] [11]この工場では、低濃縮ウランの上限である 8%までウラン235を濃縮する予定です。[12]

2014年、GLEとSilex Systemsは再編を行い、Silexは従業員数を半減させた。[13] 2016年、GEHはGLEから撤退し、その投資を帳消しにした。[13] [14]

2016年、米国エネルギー省は、ケンタッキー州パデューカに計画されているレーザー濃縮施設でSILEXプロセスを使用して40年間かけて再濃縮（235Uの濃度を0.35～0.7％）するために、約30万トンの劣化ウラン六フッ化物をGLEに販売することに合意した。[15]

2018年、サイレックスシステムズはGLEの計画を断念し、SILEXの技術をオーストラリアに送還する予定でした。[16]

2021年、サイレックス・システムズがGLEの過半数株式（51%）を取得し、カメコが少数株主（49%）となりました。GLEと米国エネルギー省の合意に基づき、GLEは、ガス拡散法を用いて最後に稼働したウラン濃縮工場から数百キロトンの劣化ウラン残渣（尾鉱）を天然レベルまで再濃縮する予定です。この工場は2013年までパデューカで稼働しており、GLEは同じ場所に新たな工場を建設する予定です。[17] [18]

プロセス

300Kと80Kにおける2つのUF6同位体の赤外線吸収スペクトル
サイレックスレーザー同位体濃縮の概略図
レーザーを用いたウラン濃縮のための同位体分離プラントの一段階の概略図。波長約16μmの赤外線レーザーが、ラバルノズルから超音速で流出するUF 6キャリアガス混合物に高繰り返しで照射される。励起された成分は、スキマーで分離された非励起尾鉱流よりも速く分子ビームの軸から遠ざかる。

気体 UF 6の最短波長の基本振動は約 16 μm です。[なぜ? ]室温ではその幅 (約 20 cm −1 ) は同位体シフト (0.6 cm −1 ) よりもはるかに大きくなります。この広がりは、熱的に占有された励起振動状態と回転状態によるものです。選択励起を可能にするために、キャリア ガス (アルゴンまたは窒素)で約 100 倍に希釈されたUF 6は、ノズルを通って真空中へ断熱膨張し、約 80 K まで冷却されます。最初はまだ衝突があります (これは冷却に必要です)。しかし、約 10 ノズル直径分移動した後は、膨張のために衝突は非常にまれになり、凝縮は起こりなくなります。衝突を避けることは、同位体間の衝突によるエネルギー移動を抑制するためにも必要です。このような分子ビーム法は、選択励起のためにスペクトルの狭窄が必要なすべての場合に使用されます。

SILEX では、ノズル直後の衝突数が十分多くなるように圧力とノズル径を十分に大きく選択して、キャリアガス G とのクラスター (UF 6 •G) を形成させます (UF 6の密度はG に比べてはるかに低いため、 UF 6 •UF 6クラスターは実際には形成されません)。 235 UF 6が 628.3 cm −1で選択的に励起された場合、この分子は G と凝集しませんが、励起されていないより重い238 UF 6は凝集します。自由分子は熱速度が高いため、クラスターよりも速く分子ビームの軸から離れます。そのため、クラスターはスキマー ノズルによって下流に透過された部分に濃縮されますが、透過されなかった部分には235 UF 6が濃縮されます。濃縮係数は、透過された部分が大きいほど (つまり、減少が小さいほど、カットが小さいほど) 良くなります。つまり、SILEX はレーザーで改造され、クラスター形成 (「凝縮」) の選択的抑制を利用する分離ノズルを使用します。

そのためには、CO2レーザーには少なくとも20MWが必要です。ラマンシフトが354.3cm −1でCO2レーザーの波数が982.1cm −1（10R30線）の場合、627.8cm −1を受け取ります。これは、 235UF6のQブランチ（中心628.3cm −1、幅0.01cm −1 [19] ）に最も近いもので、 238UF6のQブランチにさらに近いものです。GLEは、必要な微調整をどのように行っているかを明らかにしていません。高圧CO2レーザーは、パルス繰り返し率にさらなる問題を引き起こします。一般的な（大気圧）CO2レーザーと誘導ラマンシフターを使用した技術水準は2～4kHzです。[20]分子ビームの大部分が照射されないままにならないようにするためには、パルスノズルを使用しない限り、少なくとも20kHz（Urencoによれば数十kHz [21]）のパルス幅が必要である。十分な吸収長を確保するために、ノズル自体はスリット形状でなければならない。

GLEによれば、分離係数は2～20に達するが、その値が高いほど、おそらく減衰率（数値は示されていない）が悪くなると考えられる。これは、天然ウラン（ウラン235濃度0.72% ）から原子炉級（ウラン235濃度3%超）への濃縮には十分な値である。ファン・デン・ベルフ・グループの先駆的な研究では、SF 6を用いた濃縮率ははるかに低かった。[22]

適切な波長を持つ他のレーザーを使用することで、SILEX は塩素、モリブデン、 炭素、シリコンなどの他の元素の同位体濃縮にも使用できます。

核拡散への懸念

現在の濃縮技術と比較して、SILEXはより高い濃縮度を実現します。そのため、兵器級ウラン（ウラン235の90%以上）に到達するために必要な段階が少なくなります。GLEによると、各段階で必要なスペースは従来の方法のわずか25%です。そのため、悪意のある政府が兵器級ウランの生産に特化した施設を隠蔽できる可能性があります。[9] SILEXプラントは建設がより迅速かつ安価で、消費エネルギーも大幅に少ないというGLEの主張により、その魅力はさらに高まります。そのため、科学者たちはSILEXが核兵器への容易な道を作り出す可能性があるという懸念を繰り返し表明しています。[1] [23]

安全保障分類

2001年6月、米国エネルギー省は「ウラン濃縮のための革新的な同位体分離プロセスに関する特定の民間で生成された情報」を機密扱いとした。原子力法の下では、特に機密解除されていないすべての情報は、民間所有か公的所有かにかかわらず、制限データとして分類される。これは、機密扱いは「米国政府が所有、作成、または管理する」情報にのみ適用できると規定する国家安全保障分類に関する大統領令とは明確に区別される。これは、原子力法がこのように使用された唯一の既知の事例である。[24] [25]

1984年のBBCドラマ「エッジ・オブ・ダークネス」は、核廃棄物からレーザーを使ってプルトニウムを抽出する様子を描いています

2014年にオーストラリア放送協会（ABC）が制作したドラマ『ザ・コード』では、「レーザーウラン濃縮」がプロットの核心として用いられています。主人公のソフィー・ウォルシュは、この技術が現在の濃縮方法の現実的な代替手段となれば、より小型で、エネルギー消費量が少なく、制御がより困難になると述べています。また、ウォルシュは、この技術の開発が長期化していること、そして政府がこの技術の機密性と機密性を維持することに大きな関心を持っていることも指摘しています。

参照

参考文献

  1. ^ abcd ライアン・スナイダー (2016年5月3日). 「第三世代レーザーウラン濃縮技術の拡散評価」.サイエンス＆グローバルセキュリティ. 24 (2): 68– 91. Bibcode :2016S&GS...24...68S. doi : 10.1080/08929882.2016.1184528 . ISSN  0892-9882.
  2. ^ ab ライアン・スナイダー (2021年5月18日). 「ウランのレーザー濃縮による核拡散リスク」. 米国科学アカデミー.
  3. ^ W. エバーハルト (DESY)、W. ファス (MPQ)、F. レーナー (DESY)、および R. スナイダー (IFSH) (2019 年 11 月 4 日)。 FEL とレーザー同位体分離。ドイツエレクトロネンシンクロトロン (DESY) とヨーロッパの XFEL。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  4. ^ Schneider, K. R. (1995年3月). LIS: The view from Urenco (PDF) . 6th Int'l. Symp. on Adv. Nucl. Energy Research (Mito, Japan; 23–25 March 1994). 東京:日本原子力研究所. pp.  280– 289 – INIS経由.
  5. ^ 「Silex Systems Ltd：ウラン濃縮のための新レーザー技術」。Sustainable Energy & Anti-Uranium Service Inc. 2007年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年4月21日閲覧。
  6. ^ 「レーザー励起によるウラン同位体の分離技術に関するオーストラリア政府とアメリカ合衆国政府間の協力協定（SILEX協定）、合意議事録及び交換公文（ワシントン、1999年10月28日）。ATS 19 of 2000」。オーストラレーシア法情報研究所、オーストラリア条約図書館。2017年4月15日閲覧。
  7. ^ 「米国最大の原子力事業者」Investopedia US. 2011年3月28日. 2012年11月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月28日閲覧。
  8. ^ 「CamecoがGE Hitachi Enrichment Ventureに参加」Cameco. 2008年6月20日. 2012年8月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月28日閲覧。
  9. ^ ab McMurtrie, Craig (2010-04-13). 「オーストラリアのレーザー兵器が核安全保障を脅かす」. ABC Online . 2012年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月28日閲覧。
  10. ^ ブロード、ウィリアム・J. (2011年8月20日). 「核燃料におけるレーザー技術の進歩が恐怖をかき立てる」ニューヨーク・タイムズ. 2012年11月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月28日閲覧。
  11. ^ 原子力規制委員会の発表 |date=2012-09-19| http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML1226/ML12263A046.pdf
  12. ^ 「レーザーが示すウラン濃縮の未来」Gizmag.com、2013年11月6日。 2013年11月6日閲覧。
  13. ^ ab Patel, Sonal (2016年6月1日). 「GE-Hitachi、原子力レーザー濃縮事業から撤退」. POWER . 2017年4月1日閲覧。
  14. ^ 安原明子（2017年3月31日）「東芝の米国事業の破産で日本の原子力への野望が薄れる」ジャパンタイムズ。 2017年4月1日閲覧。
  15. ^ 「米国エネルギー省、レーザー濃縮用に劣化ウランを販売」World Nuclear News. 2016年11月11日. 2016年11月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年4月22日閲覧。
  16. ^ 「Silex Systems、GLE再編から脱却」World Nuclear News. 2018年6月13日. 2018年6月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年4月22日閲覧。
  17. ^ Silex 社がウラン濃縮用の備蓄の濃縮を承認、AuManufacturing、2021 年 1 月 19 日。
  18. ^ 「グローバルレーザーエンリッチメント | Silex」。
  19. ^ 高見 道夫; 大山 敏之; 渡辺 綱雄; 難波 進; 中根 良平 (1984-02-01). 「コールドジェット赤外吸収分光法：UF6のν3バンド」 .応用物理学会誌. 23 (2A): L88. doi :10.1143/JJAP.23.L88. ISSN  0021-4922. S2CID  93245695.
  20. ^ Ronander, Einar; Rohwer, Erich G. (1993-05-04). Fotakis, Costas; Kalpouzos, Costas; Papazoglou, Theodore G. (編). 「分子レーザー同位体分離のためのマルチキロワットTEA-CO2レーザーシステム」 . 第9回国際ガスフロー・化学レーザーシンポジウム. 1810 . ギリシャ、ヘラクリオン: 49– 52. Bibcode :1993SPIE.1810...49R. doi :10.1117/12.144664. S2CID  94250559. {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  21. ^ kr, Schneider (1995). LIS: ウレンコからの眺め. pp.  280– 289.
  22. ^ Zellweger, J. -M.; Philippoz, J. -M.; Melinon, P.; Monot, R.; van den Bergh, H. (1984-03-19). 「同位体選択凝縮と赤外線レーザー支援ガスダイナミック同位体分離」. Physical Review Letters . 52 (12): 1055. Bibcode :1984PhRvL..52.1055Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.52.1055 . ISSN  0031-9007.
  23. ^ ボーレストン、ジャック；ファーガソン、チャールズ・D. (2005年3月1日). 「レーザー濃縮：分離不安」.原子科学者会報. 61 (2): 14– 18. doi : 10.2968/061002005 . ISSN  0096-3402.
  24. ^ スティーブン・アフターグッド (2001年6月26日). 「DOE、非公開情報を機密扱い」. 米国科学者連盟のSecrecy News . 2007年8月23日閲覧。
  25. ^ スティーブン・アフターグッド（2007年8月23日）「SILEXウラン濃縮プロセスの概要」Secrecy News、アメリカ科学者連盟。 2007年8月23日閲覧。
  • サイレックス・システムズ・リミテッド：http://www.silex.com.au/
  • スナイダー、R.、「第三世代レーザーウラン濃縮技術の拡散評価」、サイエンス＆グローバル・セキュリティ：https://doi.org/10.1080/08929882.2016.1184528
  • スナイダー、R.、「ウランのレーザー濃縮による拡散リスク」、米国科学アカデミー
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=レーザー励起による同位体分離&oldid=1330110892」より取得