Loading article…
水性均質炉（AHR）は、内部の原子炉室と外部の冷却・減速ジャケット室からなる二室構造の原子炉です。これは、可溶性の核塩（通常は硫酸ウランまたは硝酸ウラン）を水に溶解させた原子炉の一種です。燃料は重水または軽水と混合され、この水が原子炉を部分的に減速・冷却します。原子炉の外側の層にも水があり、これも部分的に冷却し、減速材として機能します。水は重水または通常の（軽）水のいずれかであり、中性子を減速させ、安定した反応を促進するのに役立ちます。どちらの水も非常に高純度である必要があります。
自己制御機能と反応度の大幅な上昇に対応できる能力により、これらの原子炉は他の原子炉とは一線を画し、おそらく最も安全な原子炉と言えるでしょう。カリフォルニア州サンタスサナでは、アトミックス・インターナショナル社が「運動エネルギー実験」と題した一連の実験を行いました。1940年代後半、制御棒をバネで負荷し、数ミリ秒で原子炉から放出しました。原子炉の出力は約100ワットから約100万ワット以上に急上昇しましたが、問題は観測されませんでした。
水性均質原子炉は、内部の水が沸騰しているように見えることから、 「水ボイラー」（沸騰水型原子炉と混同しないように）と呼ばれることがありましたが、実際には、放射線と核分裂粒子が水を構成ガスに分解して水素と酸素を生成することによる泡立ちで、このプロセスは放射線分解と呼ばれます。AHRは自己制御が可能で、中性子束が非常に高く、管理が容易なため、研究用原子炉として広く使用されていました。2006年4月現在、研究用原子炉データベースによると、稼働中のAHRはわずか5基でした。[ 1 ]
硫酸塩系溶液に伴う腐食の問題は、トリウムからウラン233燃料を生成する増殖剤としてのその用途を制限していた。現在の設計では硝酸系溶液（例えば硝酸ウラニル）を使用することで、ステンレス鋼におけるこれらの問題のほとんどを解消している。
均質炉の初期研究は第二次世界大戦末期に行われた。化学者たちは、精密に製造された不均質炉の固体燃料要素が、核分裂生成物（核反応の「灰」）を除去するために最終的に酸に溶解されるのを見て心を痛めていた。化学技術者たちは、固体燃料要素の高価な破壊と処理を不要にする液体燃料炉の設計を望んでいた。しかし、液体燃料中の気泡の発生や（硫酸ウラニル塩基溶液中の）材料への腐食作用は、設計と材料の両面で困難な課題を突きつけた。
エンリコ・フェルミは、ロスアラモスに建設されることになる原子炉の建設を提唱した。これは世界で3番目の原子炉であり、初の均質液体燃料原子炉であり、ウラン235濃縮ウランを燃料とする初の原子炉となるはずだった。最終的に3つのバージョンが建設されたが、いずれも同じコンセプトに基づいていた。安全上の理由から、これらの原子炉には「水ボイラー」というコードネームが付けられた。この名前は適切だった。なぜなら、高出力バージョンでは、高エネルギーの核分裂生成物による水溶媒の分解によって水素と酸素の泡が発生し、燃料溶液が沸騰しているように見えたからである。このプロセスは放射線分解と呼ばれる。
この原子炉は出力がほぼゼロだったため、LOPO （低出力）と呼ばれていました。LOPOは、単純な燃料構成の臨界質量の決定と新しい原子炉概念のテストという、当初の目的を果たしました。LOPOは、濃縮ウランを最後に追加した後、1944年5月に臨界に達しました。エンリコ・フェルミ自身が制御を担当しました。LOPOは、最大5.5キロワットの出力で運転できる2番目のウォーターボイラーを設置するために解体されました。HYPO（高出力）と名付けられたこのバージョンは、燃料として硝酸ウラニル溶液を使用しており、以前の装置では濃縮硫酸ウラニルを使用していました。この原子炉は1944年12月に稼働を開始しました。初期の原子爆弾の設計に必要な重要な中性子測定の多くはHYPOで行われました。 1950年までに、より高い中性子束が望まれるようになり、その結果、HYPOは最大35キロワットの出力レベルでの運転を可能にするために大規模な改修が行われた。この原子炉は当然ながらSUPOと名付けられた。SUPOは1974年に廃止されるまで、ほぼ毎日運転された。
1952年、ロスアラモスでは、エドワード・テラーの兵器設計に関するアイデアを裏付けるために、濃縮ウランの重水溶液（フッ化ウラニル）を用いた2つの臨界実験が行われた。実験が完了する頃にはテラーは興味を失っていたが、その結果は初期の原子炉の改良に利用された。1つの実験では、溶液は周囲に反射板のない直径25インチと30インチ（640mmと760mm ）のタンクに置かれた。溶液の高さは、小さいタンクではD/ 235U原子比が1:230と1:419のD2O溶液、大きいタンクでは1:856から1:2081のD2O溶液を用いて臨界に調整された。もう1つの実験では、溶液球が直径35インチ（890mm ）の球形容器の中心に配置され、底部の貯槽からD2Oがポンプで送り込まれた。直径13.5インチから18.5インチの6つの溶液球において、D/ 235U原子比が1:34から1:431の範囲で臨界状態が達成された。実験完了後、その装置も廃棄された。
2024年、原子力発電のスタートアップ企業であるCalThermoは、燃料用水素を製造することを目的とした3DプリントAHRマイクロリアクターを設計していた。 [ 2 ]
オークリッジ国立研究所で建設された最初の水系均質原子炉は、1952年10月に臨界に達した。設計出力である1メガワット（MW）は1953年2月に達成された。原子炉の高圧蒸気は小型タービンを回転させ、150キロワット（kW）の電力を発電した。この功績により、運営者は「オークリッジ電力会社」という名誉ある称号を得た。しかし、AECは水冷固体燃料原子炉の開発に注力しており、他のタイプの原子炉の実験室での実証が成功したかどうかに関わらず、その方針は変わらなかった。
1974年から1979年まで、KEMA（Keuring van E lektrotechnische Materialen Arnhem）は、オランダのアーネムにある自社の敷地内で、KEMA Suspensie Test Reactor（KSTR）と呼ばれる水系均質原子炉を運転していた。この原子炉は、均質原子炉実験の経験を持つORNL（オークリッジ国立研究所）の専門家と協力して建設された。原子炉は、ユトレヒトのWerkspoor社が製造した原子炉容器（直径310 mm、内容量18.3リットル）で構成されていた。燃料は、濃度400 g/Lの14% UO 2（高濃縮、90% 235 U）と86% ThO 2の混合物であった。ウラン（6766グラム、6082グラムの235 Uを含む）はNUKEM社から供給された。燃料粒子（直径5μm）は、KEMA社が独自のゾルゲル法を用いて設計したもので、業界からも注目を集めた。原子炉は、温度255 ℃（491 °F、528K ）、圧力60バール（6,000kPa ）、最大出力1,000kW （1,300hp ）で稼働した。
ソ連のクルチャトフ研究所では、水性均質ミニ原子炉であるARGUS原子炉を基盤として、環境に優しく経済的に競争力のある放射性同位体製造技術が開発されていた。ソ連はこの種の原子炉を複数建設する計画だったが、実際に建設されたのは2基のみで、1基はクルチャトフ研究所に、もう1基は1980年代後半にタジキスタン・ソビエト社会主義共和国のドゥシャンベに建設された。しかし、ソ連崩壊のため、これらの原子炉は稼働に至らなかった。
2017年、タジキスタン政府は主に医療用途のモリブデン99を生産するために原子炉の再建と修理を開始した[ 3 ] 。
クルチャトフ研究所の原子炉は、熱出力20kWで 1981年から稼働しており、高い効率と安全性の指標を示しています。この原子炉でストロンチウム89とモリブデン99を製造する技術を開発するための実現可能性調査が現在進行中です。ベルギーの国立放射性元素研究所で行われた同位体の分析によると、ARGUSで製造されたMo-99サンプルは極めて高い放射化学的純度、つまり不純物含有量が許容限度より2～4桁低いことが示されています。放射性医療同位体の中では、Mo-99とSr-89が広く使用されています。前者は、腫瘍、心臓、泌尿器科、その他の疾患の診断のための放射性医薬品であるテクネチウム-99mの製造原料です。ヨーロッパでは毎年600万人以上がこの同位体で検査を受けています。
インライン燃料から医療用同位体を直接抽出できる能力により、この設計に基づく水系均質反応器への関心が再び高まっている。[ 4 ] BWX Technologies（旧Babcock & Wilcox ）はTc-99m製造用の水系均質反応器を提案している。[ 5 ]
1975年、ミシガン大学アナーバー校において、水の放射線分解による水素製造とプロセス熱発生を同時に行うための、水系均質核分裂炉の利用が検討された。ヨーロッパでは、この研究の流れを汲む小規模な研究プロジェクトがいくつか継続されている。
アトミックス・インターナショナルは、研究、訓練、同位体生産を目的とした低出力（熱出力5～50,000ワット）の原子炉を設計・製造した。原子炉モデルの一つであるL-54は、米国および日本を含む海外の研究機関によって購入・設置された。[ 6 ]