使用済み核燃料（しようずみかくねんりょう、）とは、ある期間原子炉内で使用したのちに取り出した核燃料を言う。日本においては、低濃縮ウランを核燃料として軽水炉で核反応させたあとのものを指す。使用済み核燃料には超寿命核種である超ウラン核種や大量の核分裂生成物などが含まれており、その危険性と処理の困難さのため、その処理処分が世界的な問題となっている。なお、日本においては使用済み核燃料自体は再処理を行うため廃棄するものではない。核燃料は、原子炉に装填し燃焼させる（核分裂反応を持続させる）ことでその核エネルギーを取り出すまたはプルトニウム２３９を生成することができる。しかしながら核燃料は、といった理由から、核分裂性物質を使い果たす前の適当な時期に原子炉から取り出し、新しい核燃料と交換する必要がある。この取り出された核燃料を使用済み核燃料（spent nuclear fuel）と呼ぶ。3%濃縮ウラン燃料 1t が燃える前の組成はウラン238が 970kg、ウラン235が 30kg であるが、燃焼後は、ウラン238が 950kg、ウラン235が 10kg、プルトニウム 10kg、生成物 30kg となる。上記からわかるように使用済み核燃料の中には、大量の核分裂生成物と共に核分裂性物質や親物質が残存していることから、これらを回収して再び核燃料として利用するということが考えられる。天然ウランなどの原料を精製・加工することで核燃料を作り、それを原子炉で燃焼させ、その使用済み核燃料を再処理して再び核燃料として利用するという一連の核燃料循環過程は核燃料サイクル（nuclear fuel cycle）と呼ばれる。一般的には原子炉で使用された後、冷却するために原子力発電所内にあるで3年～5年ほど保管される。その後、核燃料サイクルに用いるために再処理工場に輸送されて処理が行われるか、高レベル放射性廃棄物処理場での長期保管が行われる。処理に関しては再処理工場の記事に詳しい説明がある。日本においては青森県六ヶ所村に六ヶ所村核燃料再処理施設の建設が行われている。米国：61,000カナダ：38,400日本：19,000フランス：13,500ロシア：13,000韓国：10,900ドイツ：5,850英国：5,850スウェーデン：5,400フィンランド：1,600※単位 トン（07年末時点）このうち日本、フランス、ロシア、英国は再処理を実施している。原子力発電の核燃料サイクルにおいては、様々な放射性廃棄物が各工程で発生する。その内比較的低レベルの放射性廃棄物の一部は処分に付されているが、大半は最終処分待ちの状態で各原発、核燃料施設、研究施設などで保管されている。原子炉の燃料である核燃料として使用できる物質は主にウラン235とプルトニウム239である。そのうち、プルトニウムは天然にほぼ存在せず、原子炉の中でウラン238から生成される。さらに、石炭や石油による火力発電とは異なり、核燃料は原子炉中ですべて核分裂反応してエネルギーに変換されるわけではなく、大部分はそのまま使用済み核燃料中に存在している。そこで、これらを核燃料として再利用するために回収することが考えられるが、それを使用済み核燃料の再処理（spent nuclear fuel reprocessing）と呼ぶ。使用済み核燃料の再処理の方法としては、ピューレックス法（PUREX : Plutonium and Uranium Recovery by EXtraction）が実績もあることから主に用いられる。ただし、この方法では使用済み核燃料をいちど硝酸によって溶解させて水溶液にする必要があり、高いレベルの放射性廃液（高レベル廃液；High-level liquid waste）が発生することになる。この高レベル廃液は、液体であるので取り扱いやすくするようにガラスで固められ（ガラス固化体）、高レベル放射性廃棄物と呼ばれることになる。日本においては、この高レベル放射性廃棄物は地上管理施設で冷却・保管（30年-50年）した後、地層処分（第一種廃棄物埋設）することとなっている。日本以外の国（米国など）においては、コスト追求と、他国に再処理をやめるように勧告するなどのために、使用済み燃料を再処理しないでそのまま冷却保管し、地中のコンクリート構造物で保管するというワンス・スルー方式（once throw method）の処分（直接処分）がとられることがある。日本においては、使用済み核燃料は廃棄するものではないため直接処分は実施されていないものの、平成２５年度から研究開発は進められている。この方式の場合、再処理コストがかからないので 0.7円弱/kwh とコストが再処理をするのに比べて安くなる。なお、この方法で処分される放射性廃棄物は放射能の低いウラン238が大部分を占めるために、再処理で濃縮された高レベル廃棄物よりは初期の質量あたりの放射能は小さい。ただし半減期数万年の MA やウランやプルトニウムが混じっているので半減期は長い。一般に、低濃縮ウランからなる核燃料を原子炉で「燃焼」させると U が中性子を吸収することでプルトニウムが生成される。再処理はそのプルトニウムを抽出する処理であることから、使用済み核燃料と再処理施設を保有することは、核兵器の原料であるプルトニウムを得ることができることを意味する。ただし、プルトニウムと一口に言っても、その同位体組成の違いが爆弾としての性能に影響する。U からできる Pu は核分裂しやすいが、原子炉の中に長くおいておくと、さらに中性子を吸収して核分裂しにくく半減期も短い Pu などになる。したがって、軍事用プルトニウム生産原子炉では、なるべく Pu の純度が高くなるように短期間で再処理にまわす。一方で、発電用原子炉では高出力を目的とするため Pu が他の同位体に変化する割合が多くなる。そのため、原子力発電所の使用済み核燃料から分離したプルトニウムは原子爆弾に使用することができないということが主張されることがある。しかしながら、Pu の割合の増加などは爆弾の設計や作業工程を複雑にすることはあっても、不可能にする要因ではなく、実際に、使用済み核燃料から抽出した金属プルトニウムが8kgあれば臨界を起こすと言われる。ウラン原爆は経年劣化がなく取り扱いやすい優秀な兵器が作れる半面、ウラン濃縮に大変な電力と時間が必要されるため、核兵器を大量に作るには不適切である、というより非実用的である。そのため、5大国の核兵器は実験用を除くほとんどすべてがプルトニウム爆弾であり、北朝鮮も黒鉛炉で兵器級プルトニウムを生産している。

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