国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構
・NXR開発センターは3月13日、ウランを用いた蓄電池を開発。充放電性能を確認したことを明らかにした。
より具体的には、世界で初めてウランの化学的特性を利用した「ウラン蓄電池」を開発。これにより原子力発電の燃料製造工程で発生する当面は使用予定のない「劣化ウラン」を新たな資源価値に再定義。将来的には、これをメガソーラーなど再生可能エネルギー発電の変動調整に活用することで、脱炭素社会の実現への貢献が期待できると発信している。
ウラン蓄電池の放電試験 蓄電池に接続したLEDが点灯し、放電を確認できた状態
さて、そもそも日本に於けるウランは、原子力発電の副産物の「劣化ウラン」として発生している。この劣化ウランは現在の原子炉（ 軽水炉 ）では燃料として利用できないことから日本国内では約16,000トンの劣化ウラン（ 原子力規制庁の2023年の保障措置活動の実施結果から引用 ）を保管している状況にある。
しかし劣化ウランは、その化学的特性から長らく充放電をする電池の活物質として潜在的な可能性が語られてきた。以降ウランを活物質とする蓄電池の概念は2000年代初頭から提唱されたのが現状だ。但し、実際に蓄電池を組み上げ、その性能を報告した例はなかった。
ウラン蓄電池の充放電の仕組み
それでも近年、再生可能エネルギーの導入拡大に伴って、劣化ウランの蓄電池転用のニーズについて語り続けられてきた。というのは太陽光や風力などによる発電スタイルは天候に左右され、発電量が変動する不安定さを有していたからで、これは自然エネルギーの活用では日本国内の電力供給を安定化させるため、蓄電池などのエネルギー貯蔵デバイスを介した出力調整が必要となる。従って旧来の常識を打ち破る新たな蓄電技術の開発が注目されてきた。
日本原子力研究開発機構の研究チームは、このような背景を踏まえウランを活物質とする蓄電池（ウラン蓄電池）を開発し、世界で初めてその充放電性能を明らかにした。なおウラン蓄電池では、ウランを負極、鉄を正極の活物質に利用した。
ちなみにウランには質量数の異なるウラン235とウラン238が存在するが、核分裂を起こしやすいウラン235は原子力発電の燃料に利用される。
ウラン蓄電池での充電・放電での負極側の電解液の色の変化／ウランを用いた電解液を負極側に入れて充電すると（写真左）、液色は緑色から濃い紫色に変化し（写真右）、放電すると緑色に戻る
充電前
充電後
しかし、ウラン鉱石にはウラン235が0.7%程度しか含まれておらず、残りの99.3%は核分裂を起こしにくいウラン238が占める。それゆえ燃料製造時には、ウラン235の含有率を3～5%まで高める「濃縮」が行われる。
そうした濃縮工程からの副産物としてウラン235の含有率が天然ウランよりも低い「劣化ウラン」が発生する。劣化ウランは今の原子炉（軽水炉）の燃料には使用できないため「燃えないウラン」と呼ばれることもある。
新たに開発した蓄電池（ウラン蓄電池）は、負極にウラン、正極に鉄を活物質として採用した。正極にウランではなく鉄を採用した理由は、鉄を用いることで正極の電解液を安定化できることに加え、電圧の向上が見込まれたことが理由だ。電解液は、有機溶媒とイオン液体を混合したものを使用する。この電解液の中で、ウランと鉄はそれぞれ溶解し、陽イオンの状態で存在する。
試作したウラン蓄電池の起電力は1.3ボルトで、一般的なアルカリ乾電池（1.5ボルト）と近い値となった。充電後の蓄電池をLEDに繋ぐと、LEDが点灯することを確認できた。これは、蓄電池に貯めた電気を取り出せたことを意味する。
また、今回充電と放電を10回繰り返しても蓄電池の性能はほとんど変化しなかった。負極、正極とも電解液中に析出物はなかったことから、ウラン蓄電池では安定して充電と放電を繰り返せる可能性も示された。
先の通りで、ウランを用いた蓄電池の充電と放電の性能を確認したのは世界で初めて。今後、同研究開発機構は、大容量化に向けた電解液（活物質を溶解させた溶液）を循環させる技術（レドックスフロー電池）の開発を行い、実用化を目指した研究を進めていく考え。
今後、ウラン蓄電池を大容量化して実用化すれば、日本国内に保管されている大量の劣化ウランに新たな資源価値が生まれると共に、再生可能エネルギー由来の電力供給網の調整機能として応えることができ、脱炭素社会の実現に貢献できるようになる。
最後に同研究は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（JAEA、理事長 小口正範氏）原子力科学研究所 NXR開発センター大容量蓄電池開発特別チームの大内和希研究副主幹、植野雄大研究員、渡邉雅之研究主席によるもの。当該研究を基に、令和6年11月29日に特許出願を実施した（特願2024-209096 “二次電池とその製造方法”）。