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放射線・原子力の小話
燃えないウランが資源に？ウランを用いた蓄電池開発の解説。
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～ウラン・レドックスフロー畜電池の開発～
Contents
【目次】
- 概要
- 核燃料や放射性物質を利用した電池の種類
- レドックスフローとは？
- ウランの性質と蓄電池での利用
- URF蓄電池の仕組みと構造
- 劣化ウランの資源化
- 安全性と放射線リスクの管理
- 社会的インパクト① エネルギーの安定化
- 社会的インパクト② 廃棄物の価値転換
- 将来展望① 技術的課題とその克服
- 将来展望② 社会実装と国際展開
- 主要な電池の性能比較表
❶概要
エネルギー問題が深刻化する中で、燃えない劣化ウランを用いた蓄電池技術に注目が集まっています。特に、これまで活用方法に乏しかった「劣化ウラン」を有効利用する「ウランレドックスフロー蓄電池（URF蓄電池）」は、持続可能な社会構築の一助として期待されています。
本記事では、原子力電池の種類、レドックスフロー電池の種類、URF電池の仕組み、開発状況、社会的影響、そして将来の可能性を解説します！
❷核燃料や放射性物質を利用した電池の種類
核燃料や放射性物質を利用した電池には以下の種類があります。
原子力電池の種類
1. ウランレドックスフロー蓄電池（URF蓄電池）
今回の記事の中心である、化学反応を利用した蓄電方式です。ウランイオンが水溶液中で酸化還元反応を行い、電子を出し入れすることで電気を蓄えたり供給したりできます。
化学反応を利用した蓄電なのだ。ウランと言えば核エネルギーを連想するけど、あくまで化学反応によるものなのだ！
2.放射性同位元素熱電発電機（RTG）
概要: 放射性崩壊によって発生する熱を電気エネルギーに変換するデバイス。近年は従来世代のRTGを大幅にブラッシュアップしたMMRTGが開発・運用されている。
使用される線源: プルトニウム238、ストロンチウム90、アメリシウム241など
特徴: 宇宙船への電力供給直接放出し、それを集めて発電する方式。
3. ベータボルタ電池
概要: ベータボルタ電池は、β線を半導体に照射して直接電気を発生させる。
使用される同位体: ニッケル63など
特徴:これらのバッテリーは、エネルギー密度が高く、耐用年数が長く、環境への適応性が高いことで知られており、長期にわたる低電力エネルギー源が必要な用途に適しています。
4.光変換方式
概要: 放射線を蛍光体に照射して発光させ、その光を太陽電池で電気に変換する方式。ベータボルタ電池は直接半導体に照射する方式に対して光変換方式は蛍光体に照射する。
使用される線源: プルトニウム238、ストロンチウム90、アメリシウム241など
核燃料や放射性物質を利用した電池は主に4つのカテゴリーに分けられるのだ。
１．酸化還元反応方式（今回の主役）
２．熱を電気への変換
３．ベータ線を半導体に照射して電気を発生
４．放射線から光を発生させ、その光を電気に変換(太陽電池）と同じ原理
❸レドックスフローとは？
ウランレドックスフロー（URF）蓄電池は、負極にウランイオン、正極に鉄イオンを活物質として用いたレドックスフロー電池です。
ではレドックスフローとは何なんでしょうか？
レドックスフロー電池とは、電解液に含まれるイオンの酸化還元反応によって電力を蓄えたり放出したりする蓄電池です。電解液は外部タンクに保存され、使用時にセルへ循環される構造のため、安全性が高く、電力出力と容量を独立に設計できます。特に従来のバナジウムを用いた全バナジウム型は、電解液が左右で同一元素を使うため交差汚染のリスクが少なく、再利用性に優れる。長寿命・高サイクル性の特徴から、再生可能エネルギーの安定化や災害時のバックアップ電源としての活用が期待されています。
酸化還元反応ってなんだっけ
レドックスフローって初めて聞くね。酸化還元反応は学校で聞いたことあるけど全然わからない。
俺はレッド風呂も酸化還元どっちも分からん！
レドックスは「Reduction（還元）＋Oxidation（酸化）」をくっつけた言葉。
酸化還元反応は電子のやり取りの事なのだ。
酸化＝電子を失う
還元＝電子を受け取る
この電子の移動によって電流が流れるのだ！
（例えば、鉄のサビ言うのは鉄が電子を失って酸化する現象だからこれも酸化還元反応の一つ。）
電子の移動で電流が流れるって理解すればいいのかな？わかりやすいね。
酸化還元反応は電池だけでなく様々な場面で利用されているのだ。
例えば水の浄化装置では糞尿に含まれるアンモニアなどの窒素化合物を酸化還元反応によって無害な窒素ガスに変えるのだ。
レドックスフローの構造
ふーん、で、レッド風呂ってなに？
・・・レッド風呂じゃくレドックスフローなのだ。
この章では従来使用されている硫酸バナジウム水溶液を用いたレドックスフロー電池を説明するね。
構造は電解セル（電池本体）と電解液タンクがそれぞれ独立しているのだ。以下が簡単なレドックスフローの概要図。
充電中は正極側が酸化され、負極側が還元される。
放電中はその逆。
タンクやポンプを使ってるんだ。結構デカそう。
大きさはコンテナ～工場程度の規模だから私たちが日常使用している電池と比較したら相当デカいのだ。
電池の容量はタンクの大きさで決まるよ。
すごく・・・大きいです・・・。
その大きさから次世代の大規模蓄電システムと言われているのだ。
特徴として
①長寿命
②高い安全性
③再生可能エネルギーの出力変動を吸収
などの特徴を備えているのだ。
①の長寿命ってどのくらい？
設計寿命は20年以上なのだ。
電解液は劣化しないため、理論的には無制限の利用が可能。
スタンダードエナジーの開発したバナジウムイオン電池では20000サイクル（使用回数）で1％の劣化しか示さない。
一方、一般的なリチウムイオン電池は300～1000サイクルで20％の劣化を示す。
レドックスフローの設計寿命はリチウムイオンを大きく上回る結果なのだ！
リチウム電池を大幅に上回るってスゲーじゃん！
②の安全性はどうなの？リチウムみたいに発火するのかな。
バナジウムレドックスフローの電解液である硫酸バナジウム水溶液は不燃性で、正負の液が混合しても発火することがないのだ。
ただ、硫酸を含むために金属や生体組織に対して強い腐食性や毒性があるため取り扱いには注意が必要だね。
リチウムイオン電池の発火事故が問題になっているよね。自治体でも廃棄に困っているってニュースでやってた。
レドックス電池は発火しないならその点は安心だね。でもデカいタンクだけに体に大量の電解液がかかったら怖いね。
③再生可能エネルギーの出力変動を吸収
ってどういうことだってばよ！？
再生可能エネルギーの普及に伴い、発電量の変動を吸収してくれる媒体が必要なのだ。
太陽光や風力発電は気候や時間帯によってエネルギーの出力が大きく変動するため、その余剰エネルギーをレドックスフロー電池で吸収して蓄えて夜間に使用する運用が可能。
太陽光は昼間しか発電しないから、余ったエネルギーをレドックスフロー電池に移して夜間にエネルギーを取り出すことで夜も快適に過ごすことができるのだ。
太陽光や風力発電などの再生可能エネルギーは余剰電力が問題だけど、レドックスフローでその弱点を克服できるんだね。
その他にもレドックスフロー電池は設計自由度の高さや電池制御の容易なんだ。正に次世代の二次電池なのだ。
❹ウランの性質と蓄電池での利用
ウランは重金属元素で、酸化数（電子の数の状態）が+3〜+6まで幅広く変化する性質を持っています。これにより、化学的に電子を「渡す」「受け取る」ことができるため、電池の仕組みに適しているのです。
これまでの電池（リチウムイオン、鉛、アルカリなど）とは異なり、劣化ウランを使用することで、廃棄物の有効活用も兼ねています。
ずっと気になってたんだけど、ウランを用いた電池だろ？
爆発したり中身漏れたりして事故が起きたらどうすんだよ！おっかねぇし反対だわ！
爆発しないのだ！URF蓄電池に使われるのは劣化ウラン。君が考えているような発火や爆発、臨界は起こらないのよ。
そうなの？ぐぬぬ・・・
劣化ウランとは、天然ウランから燃えるウラン235を取り除いた残りカスみたいなものなのだ。
ミカンやオレンジに例えると、使える果汁を搾り取った後の皮が「劣化ウラン」。
絞り切った果汁が「濃縮ウラン」となり核燃料として使われるのだ。
（分かりやすさに全振りした例えなので適当です。厳密に知りたければ遠心分離機で調べてね）
ウランって色々あるんだね。
天然ウラン、劣化ウラン、濃縮ウラン、燃えるウラン・・・ウランが多すぎて混乱する。
それぞれの違いは、燃えないウラン238と燃えるウラン235の比率だよ。
☆燃えるウラン（ウラン235）
その名のとおり、燃えやすいウラン。幅広いエネルギーの中性子で核分裂を起こすのだ。
☆燃えないウラン（ウラン238）
高速中性子でしか核分裂をしないので燃えないウランと言われているのだ。
●各組成
・天然ウラン
燃えるウラン235：0.7％
燃えないウラン238：99.3％
・濃縮ウラン
燃えるウラン235：3～5％
・劣化ウラン
燃えないウラン238：99.8％
燃えるウラン235：0.2％
萌え萌えキュン！的な、萌えるウランの組成は？
萌えるウラン・・・そんなもの無いのだ。
萌え萌えウランってなにそれ、キッショ。
きしょいのか・・・ショック😢😢😢
ぴえん😭
❺URF蓄電池の仕組みと構造
JAEA（日本原子力研究開発機構）が開発したURF（ウランレドックスフロー）蓄電池は、レドックスフロー型に分類されます。これは、電解液に溶かしたウランイオンを使い、酸化還元反応によって電力を取り出す仕組みです。
基本構造：
- 負極：ウランイオン（U³⁺/U⁴⁺）
- 正極：鉄イオン（Fe²⁺/Fe³⁺）
- 電解液：有機溶媒とイオン液体の混合したもの
- 起電力：約1.3ボルト（試作段階）
URL系はバナジウム系と同様に繰り返し可能であり、大型蓄電にも応用が期待されています。
ヴァナジウムレドックスがあるのに、めんどくさそうなURFを使う理由は？わざわざ核燃料を使うんだからURFにしかない強みがあるんだよなぁ？
同じレドックスフローでもURFはバナジウムと比較して充電効率が非常に高いのだ。
URFの充電効率：97％
バナジウムの充電効率：80％
リチウムイオン電池は：95％
充電効率ってなに？
充電効率とは、充電したエネルギーのうち実際に貯えられるエネルギーの割合。
充電効率97％ということは、
・100Wh(ワット時)充電した場合、
97Whを有効に使えるという意味なのだ
バナジウムが80％に対してURFは97％か・・・そこそこデカいな。
あとは軍事用以外では利用機会が少ない劣化ウランの利用機会を増やすためなんだけど、次の章で説明するね。
❻劣化ウランの資源化
日本国内には約16,000トンもの劣化ウランが保管されています。これはウラン濃縮の副産物で、現在ほとんどが使用されず保管コストばかりがかさんでいます。
ウラン蓄電池の登場により、この膨大な「負の遺産」を価値ある資源として活用できる可能性が生まれました。資源の再利用、循環型社会の実現にもつながります。
負の遺産扱いとはかわいそうな子。
で不遇の劣化ウラン達は今どこにいるの？
劣化ウランは人形峠（鳥取県三朝町と岡山県鏡野町の境のある峠）などで保管されているのだ。
その劣化ウラン君たちはどう保管されてるの？
人形峠センターでは六フッ化ウラン（UF6）の化学形態で専用の容器にて保管されてるよ。
六フッ化ウラン？何それ？
ウランとフッ素から構成される化合物で、ウラン濃縮のさいの同位体分離に最適な化学形態なのだ。
空気中に漏洩すると空気中の水分と反応し、腐食性の強いフッ化水素を発生する。
そのため、劣化ウランは鋼鉄シリンダーに入れるなど、安全対策を講じて保管されてるのだ。
保管にコストがかかりそうだね。
そうなのだ！
そのため劣化ウラン有効利用の研究開発が行われているのだ。
❼安全性と放射線リスクの管理
劣化ウランは主にアルファ線を出しますが、皮膚も通れないほど弱い放射線です。蓄電池として使う場合は、密閉構造・遮蔽材などを使って安全性を確保しています。
さらに、原子力規制委員会の基準に則って厳重に管理されており、一般利用には安全設計が徹底されています。
※劣化ウランの健康リスクについて
劣化ウランの健康被害が深刻ってきくけど実際どうなの？
世界保健機関（WHO）や国際原子力機関（IAEA）などは
「劣化ウランによるガンの増加、健康や環境への影響に科学的な証明はない」
と否定的な立場をとっているね。
ググると湾岸戦争やイラク戦争ではガン、免疫不全などの体調不良者が続出したって言われてんじゃん！やっぱ危険じゃん！
劣化ウランの健康リスクについては
・戦争で劣化ウラン兵器を使用した結果、帰還兵や戦地の住民の健康被害が発生
・主要な健康被害は腎臓で、呼吸器系・発がん・神経系への影響
と言われているね。
ロシアは「環境を汚染し健康被害を引き起こす」とウクライナに劣化ウラン弾を提供した英国を批判してるぞ。
まあ、それはロシアの戦略的意図があるから・・・。
国際機関の見解としては、WHO（世界保健機関）・CDC（米国疾病対策センター）・IAEA（国際原子力機関）などは総じて「劣化ウランによる健康被害は確認されていない」とのスタンスだね。
ただ、ウラン鉱山労働者の肺がん発生率が高い事も知られているから、疫学調査も含めた科学的な研究が求められるね。
ただ、それには多大な時間と労力が必要なのだ・・・。
様々な可能性を追求した継続的な調査が求められるのだ。
❽社会的インパクト① エネルギーの安定化
ウランレドックスフロー電池（URF）は再生可能エネルギーの変動を吸収し、安定的にグリッド（電力網）へ供給する次世代の蓄電技術です。従来のバナジウム型（充電効率：約80％）に対して、URFは約97％と高く、またタンク容量を拡張するだけで貯蔵量を増やせるため、家庭規模から都市レベルまで容易にスケールアップが可能です。この電力の出力とエネルギーの貯蔵を分離できる技術は数時間から数日規模の長期エネルギー貯蔵に有効です。
再生可能エネルギー導入の加速
太陽光や風力などの再生可能エネルギーは気象条件に依存する。気候変動によって発生した余剰電力の受け皿としてレドックスフロー蓄電池は最適なのだ。
太陽光なら昼間に電力をため込んで夜間に使えるし、風力なら無風時に使えるね。
URFはバナジウムレドックスに比べて充電効率が高い事が研究で示されいる。より安定したグリッド（電力網）構築の可能性を秘めている事にも注目だね。
❾社会的インパクト② 廃棄物の価値転換
これまで“廃棄物”とされてきた劣化ウランを、“エネルギー資源”として再評価することで、原子力産業全体の価値観が変わります。
廃棄物管理コストの削減、環境負荷の軽減、さらに社会的な信頼回復にもつながる技術です。
軍事面以外で役立たずでヒキニート状態（？）の劣化ウラン君にもとうとう出番がやってくるんだな・・・感動だぜ。
バラストとして軍事利用以外に出番がなかったからね。
再生可能エネルギーとセット運用が注目されているけど、SMR（小型モジュール炉）とのセットも面白そうだよね。
❿：将来展望① 技術的課題とその克服
URF蓄電池は現時点で、以下の課題が残っています：
- 電解液中のウラン錯体の安定性確保
- 実証データが不足
- 資源は豊富でも“利用可能形態”への前処理が必要
- 核燃料物質としての包括管理
- 社会受容（“放射性”の心理的ハードル）
これらに対し、JAEAをはじめとする研究機関が、材料開発・モジュール化・制御技術などの面からアプローチを続けています。
元祖バナジウムレドックスもURFも聞いたことないなぁ。いつ世の中に実装されるのかな？
バナジウムレドックスは既に住友電工が商用化に進めているよ。今後も全国的に実測が展開される見込み。
URFはまだ研究段階。
早ければ2030年代には実用化の目途が付くと思うよ。
勉強不足なのか知らんが俺もレドックスフローはまｔｔｔｔったく全く聞いたことない。
今のところURFが普及するとは想像できないね。
バナジウムレドックスフロー技術はエネルギー業界では認知度が急速に進んでいるよ。
「長時間蓄電の本命」と言われているから認知度はこれからだと考えられる。
URFの展開はバナジウムレドックスの普及度合いに依存すると思う。
ただし、ウランを使用しているから社会受容が今度のカギとなるだろうね。
ウランを使っている事がどうしても引っかかるんだよなぇ。
劣化ウランの大半はウラン238だけど、このウラン238の半減期は約45億年と非常に長い。
半減期が長いということは言い換えれば原子核が崩壊して放射線が放出されるためには時間がかかるということ。
そのため外部被ばくの影響は少ないと言われるのだ！
さらにウラン238からは発せられる放射線はα線。
α線は破壊力こそ放射線の中では最強。
しかし射程が超絶短く、更に紙程度で遮蔽できるほど貫通力が低いため、外部被ばくの影響はとても低いのだ。
半減期が短い方がすぐに消えてなくなるから安全だと思ってたが違うの？
その半減期に集中して原子核が崩壊して放射線を放出するから半減期が短いほどその時間に集中して放射線量が多くなる。
放射線を重火器による狙撃に例えると。
短半減期→短時間に集中的狙撃
長半減期→長い時間かけて一発一発に時間をかける
ただ、身体に取り込んでしまうと劣化ウランから発せられるα線をモロにうけてしまう。α線は放射線の中では最強だからその影響は深刻、
さらに重金属としての化学的毒性も大きいため身体に取り込まない事が大事なのだ。
やっぱり危険じゃないか！やっぱり劣化ウラン君にはナマポをかけてもヒキニートで居続けて欲しいと思ってしまうYO！
この世に１００％安全なものは存在しない。水だって使い方次第では凶器になる。
何がどう危険なのかを正しく理解して最適な運用を行えば劣化ウランのリサイクルは決して危険ではないのだ！
⓫：将来展望② 社会実装と国際展開
将来的には以下の分野への展開が期待されています：
- 世界各国に160万トンが保管されている劣化ウランの再資源化
これまで廃棄物として保管されている劣化ウランを「将来資源としてURFの対象」として世界を対象とした資源循環 - 劣化ウランの資源価値化による社会的意義
廃棄・保管コストの削減のみならず、核燃料サイクルの新たな付加価値を与える技術として注目されている。 - 日本初の技術として国際社会への技術輸出
運用ノウハウや安全管理などの技術輸出による外貨獲得。
国際的な協力による更なる発展。
国際機関（IAEAなど）との連携で、安全性・国際基準化を進めながら広がりを見せています。
世界に160万トン！それで充電池どんだけ作れんだよ！
理論的には650トンのウランで３万キロワットの蓄電が可能と発表されているね。
３万キロワット/650トン×160万トン＝73.8Gワット
平均家庭の年間の消費がおおよそ4000kwh/年とすると、
年間でおおよそ1.8万軒分の家庭を賄えるのだ。
⓬主要な電池の性能比較表
| 電池種類 | エネルギー密度 | 寿命 | 安全性 | コスト | 用途例 |
|---|---|---|---|---|---|
| アルカリ電池 | 低〜中 | 使い切り | 高 | 低 | リモコン、時計 |
| マンガン電池 | 低 | 使い切り | 高 | 低 | 懐中電灯、玩具 |
| リチウムイオン電池 | 高 | 数百〜千回 | 中（熱暴走に注意） | 中〜高 | スマホ、EV、PC |
| 鉛蓄電池 | 中 | 中〜高 | 中 | 中 | 自動車、非常用電源 |
| ウラン蓄電池（試作） | 高予想 | 長寿命予想 | 管理次第で高 | 未定（今後に期待） | 再エネ貯蔵、大型設備向け |
以上、ウラン蓄電池の全体像と社会的意義を解説しました。
ブログ作るのに時間がかかってしまい情けない限りなのだ。これからも継続するのでよろしくおねがいしますなのだ。
何でこんなに時間かかってんだよ！このポンコツが！
時間がかかって申し訳ないのだ…
ABOUT ME
一種放射線取扱主任者。
現在、福島で原子・放射線関連業務に従事しています。