北朝鮮の核実験は成功したのか

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１　はじめに

　　朝鮮民主主義人民共和国（以下「北朝鮮」）の核実験（2006年10月9日 10:35 [KST], 朝鮮中央放送）については、その確認実証のため、いくつかの観測機関が、主として地下核実験に伴って生ずる地震波のマグニチュード（magnitude）を報道メディアを通じて発表した。

　　北朝鮮の核開発は世界、とりわけアジアと北太平洋地域の平和と安定に重大な問題を生じるので、観測された地震波から、「果たして北朝鮮は、核兵器の開発に成功したのだろうか？」また、「成功したとすると、その核弾頭の威力の規模は、どの程度のものだろうか？」を解明することが焦点になる。その後、多くの報道も、おおむね、この線に沿って発表された。

　　上の疑問に応える報道内容は、主として、マグニチュードの大きさと、核弾頭威力（TNT爆薬換算値）であるが、これらの値がいくつかの機関から独立に、また断片的に発表されたため、多くの方は、全貌がよく理解できなっかたように思われる。

　　このページでは、「ミサイル入門教室」にアクセスいただいた諸兄から、「マグニチュードと核弾頭威力の関係」について貴重な質問を受けましたので、そのお礼を含めて、回答の一例を示すとともに、北朝鮮の核実験が成功したか否かについても言及したいと思います。

　核爆発とか地震のような大規模なエネルギーを伴う理論は、複雑な条件や現象を捨象して単純化されたものです。したがって、得られた結果は、マクロ的なもです。しかし、生起した事象を判断する上で、ひとつの目安を与えるでしょう。

２　北朝鮮の核実験に伴って発表された実験に関する資料

　（１）　北朝鮮中央放送。２００６年１０月９日１２時前（KST)発表。「実験成功、放射能もれなし。」

　（２）　CTBTO（包括的核実験禁止機関）。マグニチュード：４.０

　（３）　気象庁。マグニチュード：４.９

　（４）　アメリカ地質研究所（USGS)。マグニチュード：４.２。TNT換算値：０.５～５kton

　（５）　韓国地質資源研究院。マグニチュード：３.５８～３.７

　（６）　東京大学地震研究所。TNT換算値：０.５～３kton

　（７）　米政府（ネグロポンテ国家情報長官１０月１６日発表）。２００６年１０月１１日空中採取サンプル分析結果：放射性物質検出。TNT換算値：１kton未満

３　マグニチュード（エネルギー）をTNT爆発エネルギーに換算する式

　(1) 　地震の規模とエネルギーとの関係（Gutenberg-Richterの式、国立天文台編「理科年表」による）

                log E = 4.8 + 1.5M　　　　　　　　　　　　　　　　　                                　　　　（１）

           ただし、E : 地震波として出されたエネルギー（単位　J)、M : マグニチュード値

　　　　　log は常用対数です。

　（２）　TNT火薬１キロトン（ｋｔｏｎ）の爆発のエネルギー（Wikipedia「数量の比較（エネルギー）」による）

　　　　　    ４.１８４×１０１２　[J]　＝　４.１８４　[TJ]　(テラジュール）                      　　（２）

　（３）　マグニチュードをＴＮＴ爆発エネルギーに換算する

　　　　いま、式（１）から、地震波として出されたエネルギー Ｅ [J] が得られたとして、このエネルギーがＴＮＴ、Ｎ[kton] に相当するとすると、式（２）を使って次式が得られる。

　　　　　    ４.１８４×１０１２×Ｎ　＝　E                                            　                        　　（３）

　　　　式（３）を式（１）に代入して、N について整理すると次式が得られる。

　　　　　    log N ＝　１.５M　－　７.８２                                                                   　　 （４）

　　　　式（４）の左辺の対数表現を外すと、次式が得られる。

             N ＝ｐｏｗｅｒ（１０，（１.５M　－　７.８２））＝ｅｘｐ(μ×（１.５M　－　７.８２））    　（５）

　　　　ただし、ｐｏｗｅｒ（底、指数）は「べき関数」、μ＝ｌｏｇｅ１０＝２.３０２５８５　です。

　　式（４）から、マグニチュードが、それぞれ、０．１、　０．２、および　１．０　だけ増えると、

            power(10, 0.15) = 1.4,  power(10, 0.3) = 2.0,  power(10, 1.5) = 31.6

    であるから、エネルギーはそれぞれ、もとの値の　１．４倍、２．０倍、および　３１．６倍　になることがわかる。

４　マグニチュード（エネルギー）をTNT爆発エネルギーに換算する図表

　　式（５）の関係をを下図に表示する。表は、片対数表示で、表示範囲は、当面、北朝鮮の核実験を対象にした範囲ですが、将来、実験を繰り返すかもしれないので、少し右に拡張しています。

　                                            図１　マグニチュード・ＴＮＴ換算グラフ　　　

　    (注）広島および長崎に落とされた原爆の規模（それぞれ、１２．５ ｋｔｏｎ、２０ ｋｔｏｎ）は

             Charles S Grace: Nuclear Weapons, Royal Military College of Science,Shirivenham,UK,1994 による。か

５　北朝鮮の核実験は成功したのか

５．１　核兵器としてのプルトニウム

５．１．１　プルトニウム核分裂時の放出エネルギー

　　　読者諸兄から、 235Ｕ １ｋｇ が完全に核分裂したときに放出されるエネルギーは、ＴＮＴ換算で約 ２０ｋＴ（キロトン)なることは、説明されているが（本ホームページ「核兵器」第１章（３）「核分裂と連鎖反応」参照） プルトニウム 239Ｐｕ については、この値はどうなるかという質問がありましたので、これについて説明します。

　　いま、質量数が Ａ０ の原子が核分裂して、質量数 Ａ１ と Ａ２ の２つの原子が生成されたとし、また、これらの核子（原子から電子を除いた原子核）の質量数あたりの結合エネルギー（「単位結合エネルギー｣）を、それぞれ Ｅ０、Ｅ１ および Ｅ２ としますと、この分裂反応によって放出されるエネルギー⊿Ｅは次式で与えられます。

            ⊿Ｅ ＝ （ Ｅ１Ａ１ ＋ Ｅ２Ａ２ ） － Ｅ０Ａ０                                                （６）

　　単位結合エネルギーのグラフを図２に示します。図２に示すように、このエネルギーの最大値は、質量数＝５６ の Ｆｅ（鉄） 付近にあります。また、平均値は、およそ ８MeV です。235Ｕ と 239Ｐｕ の質量数は、それぞれ、２３５ および ２３９ ですから、それぞれが、質量数が半分の原子に分裂したとすれば、その質量数は、１１７ と １１８、および　１１８ と １１９ になりますが、これらの質量数を持つ元素としては カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ），スズ（Ｓｎ） などの同位元素があります。

図２　単位結合エネルギー

　　　しかし、実際には、質量数がほぼ等しい２つの原子に分裂するのではなく、図３に示す生成率グラフ（「収率曲線｣,Yield）にしたがって、質量数が９０～１１０付近の低域と１３０～１５０付近の高域に分かれて分裂します。図３に示すように、低域では、235Ｕ と 239Ｐｕ の収率曲線を比較すると、235Ｕ に対して 239Ｐｕ が質量数で ５ ほど右の方（高い方）にずれていますが、マクロ的にはほぼ同じ領域です。

図３　収率曲線（W.Marshall編「原子炉技術の発展（上)，裳華房）

　　　図２及び図３からいえることは、235Ｕ と 239Ｐｕ の質量数（式（６）のＡ０）がほぼ等しく、それぞれ、235Ｕ と 239Ｐｕ の分裂後に生成される２つの原子の質量数の低域の値（Ａ１）と高域の値（Ａ２）もほぼ等しいわけですから、式（６）から235Ｕ と 239Ｐｕ の核分裂時の放出エネルギーは、ほぼ等しくなるということです。

　　数値計算するには、正確な原子量が必要ですが、ここでは、陽子数（Ｚ）と中性子数（Ｎ）から簡易に、静止している質量Ｍ [kg] の原子核が持っているエネルギーを計算できる 「半経験的質量公式」 が C.F.von Weizsacker によって提案されているので、紹介するとともに、その公式によってプルトニウムの核分裂放出エネルギーを計算することにしま。なお、計算にあたっては、次に示す核分裂反応式を想定します。ただし、[A, Z] 、A = Z + N
です。

              １[1,0]ｎ  +  [239,94]Ｐｕ 　→　 [142,56]Ｂａ　＋　[95,38]Ｓｒ ＋ ３[1,0]ｎ       　　 （７）

　　半経験的質量公式を次に示します。

                M c2  = 　(Ｚ・ｍｐ　＋　Ｎ・ｍｎ）ｃ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＜第1項＞

　　　　　　　　　　　　－１６[ＭｅＶ]×Ａ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＜第２項＞

　　　　　　　　　　　　＋１７[ＭｅＶ]×Ａ（２/３） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＜第３項＞

　　　　　　　　　　　　＋２５[ＭｅＶ]×（Ｎ－Ｚ）２／Ａ ・・・・・・・・・・・・・＜第４項＞

　　　　　　　　　　　　＋０.７５[ＭｅＶ]×Ｚ２／Ａ(１/３) ・・・・・・・・・・・・・＜第５項＞

　　　　　　　　　　　　＋　δ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＜第6項＞　　　　　　　　　　　　　　　（８）

                      ここで、

                                     δ＝    ＋１２[ＭｅＶ]／Ａ・・・・・（Ｚ，Ａ　が共に奇数の場合）

　　　　　　　　　　　　　　　　  δ＝    －１２[ＭｅＶ]／Ａ・・・・・（Ｚ，Ａ　が共に偶数 の場合）

　　　　　　　　　　　　　　　　　δ＝     　  ０・・・・・・・・・・・・・・（Ｚ，Ａ　が奇数と偶数 の場合）

　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｐ＝ １．００７２８u・・・・・陽子の質量（原子質量単位）

　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｎ＝ １．００８６６u・・・・・中性子の質量（原子質量単位）

　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃ ＝ ２．９９８×１０８ [m/ｓ]・・・真空中の光速

　　式（８）の右辺第1項は、原子核を構成する束縛のない陽子と中性子の質量エネルギーの和ですから、原子核の結合エネルギー（Binding Energy）Ｂ は、次式で表すことができます。なお、図２に示した単位結合エネルギーは、Ｂ を Ａ で除した「Ｂ／Ａ」の値です。

　　　　　　　B =　(Ｚ・ｍｐ　＋　Ｎ・ｍｎ）ｃ２ - M c2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

　　式（９）の M c2 に、式（８）を代入すると、結果として、原子核の結合エネルギーは、式（８）の右辺の第2項以下の符号を変えた和として与えられます。式（８）を著クス解釈すると、束縛のない裸の陽子と中性子の質量エネルギーが右辺第2項以下の項の和である原子核の結合エネルギー分だけ減じられて原子核の中に閉じ込めれていることになります。

　　式（８）の右辺第2項は、A( = Z + N ）に比例する項で、Ａ は原子核の体積に比例するとみなせるので、「体積エネルギー」と呼ばれています。なお、第2項以下の中で、その絶対値が最も大きく、およそ、第3項以下の和の2倍ほどです。第2項の符号は負ですから、質量あたり（１６[ＭｅＶ]）ある単位結合エネルギーを、第3項以下のエネルギーが、段々と緩和していき、平均的には、図２に示す８[ＭｅＶ]あたりまで下げているわけです。

　　右辺第3項は、原子核を球と考えて、その表面積が大きくなることによって減じられる、結合エネルギーですので、「表面エネルギー」と呼ばれています。球の体積ＶはＡに比例し、また、Ｖはその半径ｒの3乗に、そして表面積は半径ｒの２乗に比例しますから、Ａで表現すると、Ａ（２/３）  に比例することになります。

　　右辺第４項は、「対称エネルギー」と呼ばれています。原子核は、Ｎ＝Ｚ のとき安定する傾向にがありますが、一方だけが多くなると不安定になり、結合エネルギーはその分減少します。

　　右辺第５項は、陽子の電気量 Ze [C] ( e = 電子の電荷）が帯電球とし持つ「静電エネルギー」で、その分だけ、結合エネルギーは少なくなる。

　　右辺第６項 δ は、「対エネルギー」と呼ばれ、２つの陽子、２つの中性子は対をなしているとき、安定なる傾向がある。なお、この項は、質量数 A で除せられるから、 A が大きい原子核では、小数点以下２位のオーダーとなり無視できる値です。

　　式（８）にしたがって計算した [239,94]Ｐｕ の核分裂列放出エネルギーの例を下表に示します。

№ 分裂生成原子 単位結合エネルギー[MeV] 核子あたりの結合エネルギー[MeV]
① [142,56]Ｂａ ８．５７８ 1218．０
② [　95,38]Ｓｒ ８．８７６  843．２
③ [239,94]Ｐｕ ７．８３３ 1872．１

核分裂放出エネルギー（①＋②－③）[MeV]

１８９．２

                           表１　239Ｐｕ の核分裂放出エネルギー　　

　得られた[239,94]Ｐｕの核子あたりのエネルギー[MeV]を [MJ] （メガジュール）に変換する係数は

　　　　　　　　　　１[MeV] = １.６０２１８９２×１０－19 [ MJ]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）

です。また、アボガドロ数（Ａｖｏｇａｄｒｏ'ｓ　Ｎｕｍｂｅｒ）Ｎａ　は

　　　　　　　　　　　Ｎａ＝６．０２２　×　１０23　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）

ですから、[239,94]Ｐｕ の１ｋｇ あたりのエネルギーは、次のようになります。

　　　１８９.２×１.６０２１８９２×１０－19×６．０２２×１０23／２３９ ＝７.６３７×１０７[MJ]　　（１２）

この値を、ＴＮＴ １キロトン の爆発エネルギー ３．８７３×１０６[ MJ]（「核兵器」第１章参照）で割ると

　　　　７.６３７×１０７／３．８７３×１０６＝１９．７　≒ ２０　[ｋｔ]（キロトン）　　　　　　　　　（１３）

となり、[239,94]Ｐｕ の１ｋｇ あたりのエネルギーも、[235,92]Ｕ と同じように、ＴＮＴ換算で、約２０[ｋｔ]　の核分裂エネルギーが得られます。

　

５．１．２　核兵器としてのプルトニウムの生成

　（１）　核兵器としてのプルトニウムの地位

　　　核兵器としては、235Ｕ，または 239Ｐｕ が使用されますが、235Ｕ を核兵器として使用するには、少なくとも濃度を９０％以上に濃縮（Enrichment）する必要があります。このためには、大規模なウラン濃縮施設とその装置を運転するためのだ電力が必要です。現時点で、北朝鮮には、このような施設や大電力を供給する発電所も確認されていません。

　　この点からも、北朝鮮の核実験はプルトニウム型と推定されるのですが、兵器として、ウラニウムとプルトニウムを比較した場合、プルトニウムの方がはるかに優れていますから、北朝鮮があえてウラニウムを使用する必要性はないと考えられます。

　　一々調査機関の名前を挙げませんが、多くの調査機関によれば、現在、北朝鮮は、およそ４０～５０ｋｇ のプルトニウムを保有していると推定されています。ただし、この推定量は、必ずしも、その論拠が明確ではありません。

　　プルトニウム核弾頭の起爆方式は「爆縮型（Ｉｍｐｌｏｓｉｏｎ　Ｔｙｐｅ）」に限定されます。その理由は、239Ｐｕ には少量の Pu(240) が混じっていて、その Pu(240) が「自発分裂（spontaneous fission）」して中性子を発生するため、「砲身型（Ｇｕｎ barrel Type)」の場合、２つの半球が完全に合体する前に過早に分裂反応が起きてしまうからです。なお、239Ｐｕ の純度を９３％以上に高かめたプルトニウムを「兵器級プロトニウム」とよんでいます。235Ｕ を使っても爆縮型の核弾頭を作ることができますが、ほぼ１００％に近い高濃縮度を要求されますので、現実的ではありません。

　（２）　プルトニウムの同位体

  　プルトニウムは、現在、原子力発電所などで使用されている軽水炉の使用済み核燃料棒の再処理過程で容易に得られますが、再処理によって分離されたプルトニウムには、239Ｐｕ 以外に, Ｐｕ（２３８）、Ｐｕ（２４０）、Ｐｕ（２４１）、Ｐｕ（２４２）、Ｐｕ（２４３）の同位体が含まれています。燃料棒の燃焼度により同位体組成（比率）が変わり、燃焼度が進むにつれて、Ｐｕ（２３８）、（２４０）、（２４１）及び（２４２）の割合が増え、反対に、239Ｐｕ の割合が減少します。電気出力 １００万 [kW] （＝１０００[MW]） の軽水炉発電所を稼働率８０％で、１年間運転したときに生成するプルトニウム量は、約２４３Kg　です。電気出力１００万 [kW]の原子炉には燃料として濃縮ウランが約２1トン必要です。 使用済み軽水炉燃料から回収されたプルトニウム同位体の組成比率を表２に示します。（文献　鈴木篤之編著「プルトニウム」、ＥＲＣ出版、１９９４）

同位体

存在比

 半減期 崩壊形式 核分裂
Ｐｕ（２３８） ０．６ ～ １．８％ ８８年 α Ｙｅｓ
Ｐｕ（２３９） ５６ ～ ５９％ ２４,０００年 α Ｙｅｓ
Ｐｕ（２４０） ２０ ～ ２４％ ６,５７０年 α Ｎｏ
Ｐｕ（２４１）  ７ ～ １２％ １４年 β Ｙｅｓ
Ｐｕ（２４２） ６ ～   ６％ ３.８×１０５年 α Ｎｏ
Ｐｕ（２４３） － ５時間 β Ｎｏ

表２　使用済み軽水炉燃料のプルトニウム同位体の組成比率　

　（３）　プルトニウム（Pu-239）のグレード（級）

　　プルトニウムを兵器として用いる場合の最大の問題は、表に２に示したＰｕ（２４０）の高い自発中性子放射率です。米国は、Ｐｕ（２４０）含有率を３％以下に抑えた「超兵器級（Ｓｕｐｅｒ-ｇｒａｄｅ）」のプルトニウムと規定していますが、実際に長崎に投下されたプロトニウム型の原爆（「Fat Man」）では、Ｐｕ（２４０）の比率は０.９％ でした。これは、戦時下に短期間で、必要最小限のプルトニウム量を得るため、通常の原子炉運転の１／３００ 程度の燃焼度でつくられたものです。標準の兵器級プルトニウムでは、Ｐｕ（２４０）の含有率は６．５％以下です。この値が、多くなると、高性能の爆縮方式の核弾頭でも過早爆発が起こりえます。なお、１９７０年代になって、「６．５％」という値は、経済的理由（プルトニウムのグレード（品質）によって決まる単価×所要量を最小にする）によって決まったことが明らかにっています（文献：http://www.ne.jp/asahi/hayashi/love/nuclear_plutonium.htm）。プルトニウムのグレードを級に区分して表３に示します。

Ｐｕ－２３９の濃縮度 Ｐｕ－２４０の含有率
Super-grade ９７％以上 Super-grade ２～３％
兵器級 ９３％以上 兵器級 ７％以下
高濃縮（研究炉など） ２０％以上 燃料級 ７％～１８％
低濃縮（軽水炉など） ０．７１～２０％ 原子炉級 １８％程度

表３　プルトニウムのグレード

　（４）　核燃料の燃焼度　　

　　原子炉用燃料 １ｔ（トン） あたり何 MWD (Mega-Watt-Day) の発電量をとりだせあかを示すのに「燃焼度[MWD/t]」が用いられます。U-235 の原子核１個が核分裂すると 200[MeV] （＝３.２×１０－１１[J]）のエネルギーを放出します。これから、１モル（２３５[g]）の U-235 が核分裂すると １.９３×１０１３[J/mol] のエネルギーが発生することになります。

      １MW・Day = １×１０６[J/s] ×（２４×６０×６０[s] ＝ ８.６４×１０１０[J]　　　　　　　　　　　（１４）

ですから、1MWD　のエネルギーは U-235 の原子核が １.０５ [g] だけ核分裂したときに発生するエネルギーに相当します。この計算は次のとおりです。

      ８.６４×１０１０ [J]　×　２３５ [g/mol] / （１.９３×１０１３ [J/mol] ） ＝１.０５ [g]       　　　　（１５）

　　熱出力 ３００万 [kW] （変換効率＝３３.３％ととして、電気出力で、１００万 [kW]）の原子力発電所が１年（３６５日）間、稼動 率８０％ で運転すると、次に示すエネルギーを発生します。

　　　３.０×１０９[W] ×３６５ [日] ×０.８＝ ０.８７６×１０６ [MWD]　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１６）

　　このエネルギーを発生するには、０.８７６ [t] の U-235 が必要です。U-235 の濃縮度を ４.１％ とすると、約 ２１ [t] の核燃料が必要です。このときの燃焼度は、次のようになります。 なお、ウラン燃料（濃縮度４.１％）の最高燃焼度は、約 ４８,０００[MWD/ｔ] （関西電力のデータ）です。

　　　０.８７６×１０６ [MWD]　／ ２１[t] ＝ ４７,６２０[MWD/t]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１７）

　　次に、参考のために実際の原子炉の燃焼度とそれに対するプルトニウム同位体の組成比率のグラフを示しましょう。元になったデータは、＜文献 www.ne.jp/asahi/hayashi/love/nuclear_plutonium.htm＞によるものです。原子炉は核燃料に天然ウランを使用している第１世代（１９５０－６０）のMAGNOX炉（英国、黒鉛減速、炭酸ガス冷却型 、燃焼度３,０００[MWD/t]）、第２世代（１９７０－８０）のCANDU(カナダ；重水減速、重水冷却型、燃焼度７,５００[MWD/t]） 、及び核燃料に濃縮ウラン（濃縮度３％）を使用した現在（第３世代）の代表的な軽水炉（燃焼度３３,０００[MWD/t]）です。 図において、Pu-238 の組成比率は値が小さいので省略しています。なお、現在、北朝鮮で稼動している原子炉は、第１世代のMAGNOX炉です。

図４　燃焼度対プルトニウムの同位体組成

　　代表的な軽水炉では、発電前の核燃料 １トン は、発電後、使用済み核燃料となって、燃え残りの U-235 が １０ｋｇ、生成されたプルトニウム （同位体を含む）が１０ｋｇ （核燃料の１％）、そして、核分裂生成物（廃棄物）が ３０ｋｇ の状態になります。この様子を、図5 に示します。（文献：電気事業連合会　原子力図面集）。

　　　　

図５　使用済み核燃料の組成

　

（５）　北朝鮮のプルトニウム生成量を計算する。

　　　北朝鮮のプルトニウムは、平壌の北方約 ８０km 寧辺（ヨンビョン） に位置する原子力研究センターの所有する ５[MW] (5,000[kW]） 実験用原子炉（黒鉛減速・炭酸ガス冷却炉）の照射済み燃料棒から抽出されたものです。核燃料には天然ウランが使われています。したがって、プルトニウムの生成量を図５（濃縮ウランを使った軽水炉）から推定することはできません。

　　　軽水炉では、減速材として軽水（普通の水Ｈ２Ｏ）が使われますが、中性子に対して比較的減速効果が大きいので、核燃料が天然ウランの場合、Ｕ－２３５の割合が少ない（0.7％）ので臨界に達しません。減速材の中性子の吸収度合いを示す指標として「吸収断面積」が用いられます。この指標を使うと、軽水の吸収断面積は 0.６６[b]（バーン：barn、１[b] = 10-24 cm2） です。吸収断面積が小さい元素としては、炭素（グラファイト＝黒鉛、吸収断面積 0.0034[b] ）又は重水素（Ｈ２Ｏ２，吸収断面積 0.0005[b] ）があげられます。

　　北朝鮮の実験用原子炉は、英国で発電用に開発された（1950-60年代）「Calder Halｌ 型炉」（初号機の発電所名に因で命名）を原型として作られた実験炉です。なお、「Calder Halｌ 型炉」は、燃料被覆材にマグネシウム合金のマグノックスを使用しているので、「マグノックス（Ｍａｇｎｏｘ）炉」とも呼ばれています。その特徴は次のとおりです。

　　①　ウラン濃縮施設を必要としない。

　　②　多量に必要な減速材の黒鉛は工業的に容易に得られる。減速材に重水を使用する場合は重水濃縮施設が必要になる。

　　③　冷却材の炭酸ガス、被覆材のマグノックスなどの原子炉材は工業的に容易に得られる。

　　④　炉心の出力密度が小さい、黒鉛の熱容量が大きいなど安全性が高い。

　　⑤　黒鉛は減速効果が小さいので、大量の黒鉛が炉心を占めることになり、それに対応して燃料量（インベントリー；inventory）が非常に多くなるので、経済性や燃料確保の面などから必ずしも有利とはいえない。北朝鮮の実験用原子炉の場合、減速材黒鉛：600[t]、燃料（ウラン総量）：約 ４０－４５[t] （燃料棒数：約 8,000本）です。

　　⑥　「転換比」（ Ｕ‐238 が プルトニウム に転換する割合 ）が比較的高い。軽水炉（加圧水型、濃縮率３％）内での転換比は 0.5 ～ 0.6 です。これに対して、黒鉛炉内の転換比は 0.8 ～ 0.9 です。これは、核燃料であるウランの同位体組成において、中性子を放出する Ｕ‐２３５（0.7％）に対してその中性子を吸収する Ｕ－２３８（99.3％）が圧倒的に多いからです。

  ＜実験用原子炉（寧辺1号炉）の主要歴史、文献：「原子力百科事典」など＞

　　①　1979年　着工、研究開始

　　②　1986年　運転開始

　　③　1989年　炉心から破損燃料棒の一部を取り出し、プルトニウム抽出

　　④　1994年　炉心から約8,000本の燃料棒を取出

　　⑤　2003年　北朝鮮「8,000本の使用済み燃料棒の再処理を6月30日に完了した」と米国に通告

　　⑥　2005年　（4月）再処理

   ＜実験用原子炉（寧辺1号炉）内のプルトニウム生成の算定＞

　　計算のための前提となるデータを下表に示します。

No. 要　　　　目 データ
１ 核燃料インベントリ 天然ウラン（U-235 比率0.72[%]）40-45 [t]
２ 電気出力   5,000 [kW]　（ = 5 [MW] ）
３ 熱出力 25,000 [kW] （ = 25 [MW] ）
４ 熱効率      20 [%]
５ 平均燃料燃焼度  3,000 [MWD/t]
６ 稼働率      80 [%]
７ 転換比     0.9
８ 生成プルトニウム中のPu-239の比率     80 [%]

　　　式（１５）に示したように1MWD　のエネルギーは U-235 の原子核が １.０５ [g] だけ核分裂 したとき放出されるエネルギーですから、熱出力 ２５ [MW] のエネルギーを1年間、稼働率 ８０ [%] で発生させるために必要な U-235 の量は次のように計算されます。

　　　　　　　　1.05 [g/MWD]　×　25 [MW]　×　365[D]   ×　0.8　= 7,665 [g] = 7.665 [kg]　　　　　　　　　（１８）

　　　7,665 [g] の U-235 の核分裂で発生される熱エネルギーを [MWD] で表すと次のようになります。

　　　　　　　　7,665 [g]　/ 1.05 [g/MWD] = 7,300 [MWD]                                                 　　　　　　（１９）

       7,300 [MWD] のエネルギーを得るために必要な核燃料（天然ウラン）の量は、この値を、平均燃料燃焼度で割ることによって、次のように計算されます。

　　　　　　　　7,300 [MWD]  / 3,000 [MWD/t]  = 2.443 [t]　　　（≒ ２.５ [t] ）　　　　　　　　　　　          （２０）

　　　次に、式（18）で計算された U-235 の量に、転換比を乗ずると、生成されるプルトニウムの量が次のように計算されます。

                 7.665 [kg] × 0.9 = 6.899 [kg]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　                      （２１）

　　　このプルトニウム中のPu-239同位体は８０％ですからすから、Pu-239の量は、次のようになります。

　　　　　　　 6.899  [kg]   ×　0.8 = 5.519 [kg]　　　　　　　　　　（≒ ６ [kg] ）　　　　　　　　　　　　　　　　（２２）

　　　北朝鮮のプルトニウム保有量に関しては、多くの資料（例えば、「東京財団報告書　2005-23 北朝鮮核計画の廃棄・検証構想：北朝鮮核放棄に向けた取り組み」、濱田和子）が、年当たり ５～７ [kg] と推定しています。

　　　核燃料として天然ウラン1トン当たり、燃料として利用される U-235 の量は、式（１８）及び式（２０）から、次のように計算されます。

　　　　　　7.665 [kg] / 2.443 [t] = 3.138 [kg/t]　　　　　　　　　（≒ ３ [kg] ）　                                  （２３）

　　　天然ウラン1トン中には、U-235 は 7.2 [kg] 含まれていますから、そのうちの 44 [%] が燃料（核分裂反応）に使われ、56 [%] が使用済み燃料棒として廃棄処理されことになります。核燃料では、石油や石炭と違って、燃料（U-235）が完全に空になるまで使い切ることはできません。それは、燃料である U-235 が少なくなると、連続した核分裂連鎖反応（臨界）が維持できなくなるからです。

　　　次に、核燃料としての天然ウラン1トン当たりの転換プルトニウム（Pu-239）の量は、式（20）及び式（２２）から次のように計算されます。

　　　　　　5.519 [kg]　/ 2.443 [t] = 2.259 [kg/t]               　　（≒ 2.3 [kg] ）　　　　　　　　　　　　　　　（２４）

　　　したがって、インベントリに装荷された全核燃料（ ４０ ～ ４５[t] ）が燃焼し終わって完全に使用済みになったと仮定すれば、以上の起算から は、９０～１００ [kg] のプルトニウム（Pu-235） が可能です。ただし、現時点では、核燃料の燃焼期間が、１９８６年～１９９４年の８年間ほどですから、計算上からは約 45 [kg] ほどと推定されます。この値は、潜在的に転換可能な量の半分ほどです。

＜プルトニウムの濃縮＞

　図４に示したように、黒鉛炉内に生成されたプルトニウムの組成は、Ｐｕ－２３９：８０．０％、Ｐｕ－２４０：１６．９％、Ｐｕ－２４１：２．７％です。このうち、Ｐｕ－２４０は自発核分裂を起こすため、少なくとも ６％ 程度以下に抑ええる必要があります。これは Ｐｕ－２３９ 側から見れば、Pu-239 を濃縮することになります。濃縮結果、代表的な組成の一例は、Ｐｕ－２３９：９３．４％、Ｐｕ－２４０：６．０％、Ｐｕ－２４１：０．６ になります。この程度に濃縮されたプルトニウムであれば、過早破裂の確率を非常に低くすることができ、兵器用として使用することができます。

　実用中の濃縮法としては、「ガス拡散法」（gas diffusion process）と「遠心分離法」（gas centrifuge process） がありますが、前者では、消費電力が大きく、設備も大規模になります。

　　　

（以下続く）

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