亜臨界原子炉

臨界未満炉は、臨界状態に達することなく核分裂を起こす原子炉の概念です。連鎖反応を維持する代わりに、臨界未満炉は外部からの追加の中性子を利用します。このような装置には大きく分けて2種類あります。1つは核融合装置から供給される中性子を利用するもので、核融合・核分裂ハイブリッドと呼ばれる概念です。もう1つは、粒子加速器で加速された陽子などの荷電粒子による重原子核の核破砕によって生成される中性子を利用するもので、加速器駆動システム（ADS）または加速器駆動型臨界未満炉と呼ばれる概念です。

未臨界炉は、従来の原子炉で使用済み燃料に含まれる重同位体を破壊しつつ、同時に発電するために使用できます。核廃棄物中の長寿命超ウラン元素は原理的には核分裂させることができ、その過程でエネルギーを放出し、より短寿命の核分裂生成物を残します。これにより、放射性廃棄物の処分にかかる時間を大幅に短縮できます。しかし、一部の同位体は閾値核分裂断面積を持つため、核分裂させるには高速炉が必要です。熱中性子によって核分裂性物質に変換できますが、一部の核種は核分裂性同位体に到達するまでに最大3回の連続した中性子捕獲反応が必要であり、さらに核分裂のために別の中性子が必要です。また、核分裂ごとに放出される新しい中性子の平均数が少なすぎるため、これらの核種を多く含む燃料では臨界に達することができません。加速器駆動型原子炉はこのパラメータに依存しないため、これらの核種を利用できます。この方法で処理することが有利となる最も重要な長期放射性同位体は、ネプツニウム237、アメリシウム241、アメリシウム243の3つである。核兵器物質であるプルトニウム239も適しているが、 MOX燃料として、あるいは既存の高速炉内で消費する方が安価である。

核廃棄物焼却以外にも、このタイプの原子炉は、従来の原子炉とは異なり、本質的に安全であると認識されているため、注目されています。ほとんどの臨界原子炉では、核分裂速度が急速に増加し、原子炉が損傷または破壊され、放射性物質が漏洩する状況が存在します（SL-1やチェルノブイリ原発事故を参照）。未臨界原子炉では、外部から中性子を継続的に供給しない限り、反応は停止します。しかし、連鎖反応が終了した後も発熱の問題は残るため、過熱を避けるために、停止後かなりの期間、このような原子炉を継続的に冷却することが不可欠です。しかし、未臨界原子炉は核分裂性物質の臨界量を蓄積する必要がないため、崩壊熱の問題も最小限に抑えることができ、したがって（ほぼ）任意に小さく構築できるため、緊急停止後数時間から数日の間に発生するすべての熱を吸収できる緊急冷却システムの熱容量を削減できます。

現在主流のADS設計では、約1GeVの高強度陽子加速器を、核破砕ターゲットまたは核破砕中性子源に向けて照射することが提案されている。原子炉炉心の中心部に位置するこのソースには、ビームが衝突して中性子を放出する液体金属が含まれており、鉛-ビスマスなどの液体金属を熱交換器に循環させることで冷却される。核破砕中性子源を取り囲む原子炉炉心には燃料棒が収められており、燃料は核分裂性または増殖性のアクチニド混合物であれば何でもよいが、起動時に臨界ゼロで運転する必要がないように、あらかじめ一定量の核分裂性物質が含まれていることが望ましい。これにより、核破砕ターゲットに衝突する陽子1個につき、平均20個の中性子が放出され、燃料の周囲の核分裂性部分を核分裂させ、増殖性部分の原子を核変換して、新たな核分裂性物質を「生成」する。消費される GeV あたり 20 個の中性子という値を仮定すると、中性子 1 個は 50 MeV の「コスト」がかかるのに対し、核分裂 (中性子 1 個が必要) では、分裂するアクチニド原子 1 個あたり約 200 MeV のエネルギーが放出されます。効率は、中性子を生成するのに必要なエネルギーを減らすこと、核分裂から抽出される使用可能なエネルギーの割合を増やすこと (熱プロセスを使用する場合、カルノー効率により、効率を上げるにはより高い温度が必要であることが指示されます)、そして最後に、臨界を 1 未満のままにしながら、1 に限りなく近づけることによって向上させることができます。効率と安全性の両方において重要な要素は、原子炉がどれだけ未臨界であるかです。簡単に言うと、原子炉の臨界 (遅発中性子を含む) を示すために使用される k(有効) の値は、各「世代」の中性子がさらに原子核を分裂させる数として解釈できます。 k(実効)が1の場合、1000個の中性子が導入されるごとに、さらに核分裂を起こす1000個の中性子が生成されます。この場合、中性子源から供給される中性子の数が増えるため、反応速度は着実に増加します。k(実効)が1よりわずかに小さい場合、反応を定常状態に保つために原子炉外部から供給する必要のある中性子は少なく、効率が向上します。一方、「臨界ゼロ」の極端な場合、つまりk(実効)=0の場合（例えば、原子炉が核変換のみを目的として運転されている場合）、すべての中性子が「消費」され、燃料内部では中性子は生成されません。しかし、中性子学では中性子の放出は一定の精度でしか知ることができないため、原子炉は実際には、中性子特性がどれだけよくわかっているか、カリホルニウム252のような中性子放出自発核分裂によって崩壊する核種や中性子放出によって崩壊する核種の増加の影響に応じて、臨界より下の安全マージンを確保する必要があります。

中性子バランスは、加速器の出力を調整して原子炉を臨界未満にすることで制御または遮断することができます。核破砕中性子源によって供給される追加の中性子は、従来の原子炉の遅発中性子と同様の制御を提供しますが、違いは、核破砕中性子源によって駆動される中性子は加速器によって容易に制御できる点です。主な利点は、固有の安全性です。従来の原子炉の核燃料は、ドップラー効果やボイド効果などの自己制御特性を備えており、これらの原子炉を安全にしています。従来の原子炉のこれらの物理的特性に加えて、未臨界原子炉では、中性子源をオフにすると、核分裂反応が停止し、崩壊熱だけが残ります。

ADSが経済的に実現し、将来の核廃棄物管理に統合されるまでには、克服すべき技術的な課題がいくつかあります。加速器は高強度であると同時に高い信頼性も必要です。加速器の停止は、スクラムを引き起こすだけでなく、システムに甚大な熱ストレスを与えるからです。陽子と核破砕ターゲットを隔てる窓についても懸念があります。この窓は極限条件下でストレスにさらされることが予想されます。しかし、ポール・シェラー研究所で試験されたMEGAPIE液体金属中性子核破砕源の最近の経験では、0.78 MWの高強度陽子ビーム下で動作するビーム窓が実証されています。超ウラン元素の化学的分離と燃料製造、および構造材料も重要な課題です。最後に、高エネルギー中性子における核データの不足が設計の効率を制限しています。この最後の課題は、中性子源と燃料の間に中性子減速材を導入することで克服できますが、減速材も中性子を燃料から遠ざけるため、漏洩が増加する可能性があります。原子炉の形状を変更することで漏洩を減らすことはできますが、完全に排除することはできません。漏洩する中性子は、生成される放射化生成物や、中性子照射によって材料に生じる物理的損傷のためにも懸念されます。さらに、減速材の結果として得られる熱中性子では実現できない、高速中性子スペクトルの特定の利点があります。一方、熱中性子炉は最も一般的でよく理解されているタイプの原子炉であり、熱中性子も高速中性子に比べて利点があります。

いくつかの実験室実験と多くの理論的研究により、そのようなプラントの理論的可能性が実証されています。核物理学者でノーベル賞受賞者であり、CERNの元所長であるカルロ・ルビアは、いわゆる「エネルギー増幅器」と呼ばれる亜臨界炉の設計を最初に考案した人物の一人です。2005年には、亜臨界炉技術をさらに発展させるために、ヨーロッパと日本でいくつかの大規模プロジェクトが進行中です。2012年には、CERNの科学者と技術者が、この目標の追求に専念し、このテーマに関するThEC13 ^{[ 2 ]}会議を組織した国際トリウムエネルギー委員会（iThEC）^{[ 1 ]}を立ち上げました。

未臨界炉は、発電手段としても核廃棄物の核変換手段としても提案されており、二重のメリットがある。しかし、このような複雑な施設の建設、安全管理、維持にかかる費用は非常に高額になると予想され、実用的な設計を開発するために必要な研究量も膨大である（上記参照）。高速中性子炉での核変換など、より安価で比較的安全な廃棄物管理方法も存在する。しかし、未臨界炉による解決策は、より社会的な受容性が高いと考えられる。廃棄物を何十万年も埋めるよりも、焼却する方が受け入れられやすいと考えられているからだ。将来の廃棄物管理においては、少数の核変換装置を大規模な原子力プログラムに組み込むことで、全体のコストをわずかに増加させるだけで済むことが期待される。

分割および変換作業が直面する主な課題は、極めて長い期間（約200年）の核サイクルに入る必要があることです。^{[ 3 ]}もう一つの欠点は、中レベル長寿命放射性廃棄物（ILW）が大量に発生することであり、これも安全に管理するために深地層処分が必要になります。より肯定的な側面としては、貯蔵施設のサイズが4～6倍に縮小すると予想されています。肯定的側面と否定的側面の両方が、ユーリッヒ研究センターが調整し、欧州連合が資金提供した国際ベンチマーク研究^{[ 4 ]}で検討されました。

ADSは当初、軽水炉設計の一部として構想されたものだが、他の第4世代原子炉構想にADSを組み込む提案もなされている。

そうした提案の一つに、プルトニウムとアメリシウムを主燃料とするガス冷却高速炉がある。アメリシウムは中性子特性が不安定なため、臨界炉での使用は難しい。減速材温度係数を正の値に近づけ、安定性を低下させる傾向があるからだ。しかし、ADS（加速器駆動システム）の固有の安全性により、アメリシウムを安全に燃焼させることができる。これらの材料は中性子効率も優れているため、ピッチ対直径比を大きくすることができ、自然循環と経済性の向上につながる。

中性子源に依存しない核廃棄物処理用の未臨界法も開発されている。 ^{[ 5 ]}これには、小型加速器駆動源によって生成されたミューオン（μ− ^）が長寿命放射性同位体を安定同位体に変換するミューオン捕獲のメカニズムに依存するシステムが含まれる。 ^{[ 6 ]}

一般的に「未臨界炉」という用語は人工システムに限定して用いられるが、自然システムも存在する。宇宙線やガンマ線（太陽からの放射線を含む）にさらされる核分裂性物質の自然発生源はすべて、未臨界炉とみなすことができる。これには、放射性同位体熱電発電機を搭載した宇宙打ち上げ衛星や、そのような放射線にさらされた貯蔵庫も含まれる。

• 代替エネルギー
• 宇宙線による核破砕
• 核破砕中性子源
• ISIS中性子源
• ハイブリッド核融合
• ミルラ

注記

情報源