一体型溶融塩炉

一体型溶融塩炉（IMSR）は、小型モジュール炉（SMR）市場向けの商用製品の開発を目的とした原子力発電所の設計です。カナダの企業Terrestrial Energyが開発している溶融塩炉技術を採用しています。^[1]

IMSR は、オークリッジ国立研究所の原子炉設計である変性溶融塩原子炉(DMSR) をほぼベースにしています。さらに、同じ研究所の後期設計である小型モジュール式先進高温原子炉 (SmAHTR) の要素もいくつか取り入れています。IMSR は溶融塩原子炉(MSR) の DMSR クラスに属しており、従来の固体燃料ではなく液体燃料を使用する「バーナー」原子炉です。この液体には核燃料が含まれており、主要な冷却材としても機能します。

2016年、テラストリアル・エナジーはカナダ原子力安全委員会と共同でIMSRの認可前設計審査に着手し^{[2] [3]}、2017年後半に第一段階を無事完了した後、2018年10月にこのプロセスの第二段階に入った。^{[4] [5]} 同社は、2020年代に最初の商用IMSRの認可と運用を開始すると主張している。

一体型溶融塩炉（IMSR）は、コンパクトで密閉された交換可能な原子炉ユニット、IMSRコアユニットに統合されています。コアユニットは、440メガワットの熱を供給するように設計された単一サイズです。発電に使用する場合、概念的な容量は195メガワットの電気です。ユニットには、液体溶融フッ化物塩燃料で動作する原子炉の主要コンポーネント（減速材、一次熱交換器、ポンプ、シャットダウンロッド）がすべて含まれています。^[6]コアユニットは、IMSRシステムの心臓部を形成します。コアユニットでは、燃料塩はグラファイトコアと熱交換器の間を循環します。コアユニット自体は、ガードベッセルと呼ばれる周囲の容器内に配置されます。コアユニットモジュール全体を持ち上げて交換することができます。コアユニットを囲むガードベッセルは、格納容器として機能します。

IMSRは、溶融塩炉（MSR）の変性溶融塩炉（DMSR） ^[7]クラスに属します。低圧運転（原子炉と一次冷却材は通常の大気圧近くで運転されます）、一次冷却材が失われないこと（燃料が冷却材です）、メルトダウン事故が発生しないこと（燃料はすでに溶融した状態で運転されます）、一次冷却塩内の核分裂生成物の強力な化学的結合（核分裂生成物の偶発的な放出経路の減少）など、溶融塩クラスの原子炉に関連するすべての安全機能を備えるように設計されています。

この設計では、標準分析の低濃縮ウラン燃料（U ^{235 が}5% 未満）を使用し、単純なコンバータ（「バーナー」とも呼ばれる）燃料サイクル目標（現在稼働中のほとんどの発電炉がそうであるように）を採用しています。提案されている燃料は、キャリア塩と混合された四フッ化ウラン（UF _{4 ）の形です。} ^{[8]これらの塩もフッ化物であり、}フッ化リチウム（LiF）、フッ化ナトリウム（NaF）、フッ化ベリリウム（BeF ₂）などです^[要出典]。これらのキャリア塩は、燃料の熱容量を増加させ、燃料の融点を下げます。

燃料塩混合物は原子炉の主冷却材としても機能します。

IMSR は、垂直のグラファイト管状要素によって減速される熱中性子炉です。溶融塩燃料と冷却剤の混合物は、これらの管状要素を通って上方に流れ、臨界状態になります。この減速炉心で加熱された後、液体燃料は中央の共通煙突を通って上方に流れ、次にポンプによって下方に引き込まれ、原子炉容器内に配置された熱交換器を通過します。その後、液体燃料は原子炉コアの外縁に沿って流れ、サイクルを繰り返します。すべての主要コンポーネント、熱交換器、ポンプなどは原子炉容器内に配置されます。原子炉の統合アーキテクチャにより、燃料の漏れや破損の恐れがある外部配管の使用が回避されます。

原子炉容器の外部配管には、2つの塩ループが直列に含まれています。1つは非放射性の冷却塩で、もう1つは（3番目の）冷却塩です。これらの塩ループは、放射性核種に対する追加のバリアとして機能するだけでなく、システムの熱容量も向上させます。また、プラントのヒートシンク端との統合も容易になります。テラストリアル・エナジーは、標準的な産業グレードの蒸気タービンプラントを使用したプロセス熱または電力アプリケーションのいずれかを想定しています。^[9]

IMSR コアユニットは、7 年間の運用期間後に完全に交換されるように設計されています。運用中は、少量の新しい燃料/塩バッチが定期的に原子炉システムに追加されます。このオンライン燃料補給プロセスでは、固体燃料原子炉システムに必要な機械的な燃料補給装置は必要ありません。

これらの設計上の特徴の多くは、オークリッジ国立研究所(ORNL)による 2 つの以前の溶融塩設計に基づいています。1980 年の ORNL 変性溶融塩炉 (DMSR) と、2010 年の設計である固体燃料/液体塩冷却小型モジュール式先進高温炉 (SmAHTR) です。IMSR 設計に引き継がれた DMSR は、LEUを使用した簡素化されたコンバータ設計で溶融塩燃料とグラファイト減速材を使用し、定期的に LEU 燃料を追加することを提案しました。溶融塩炉に関する以前の提案のほとんどは、すべて運転に必要な量よりも多くの燃料を増殖させたため、増殖炉と呼ばれていました。IMSR や DMSR のようなコンバータまたは「バーナー」炉は、既存の使用済み燃料からのプルトニウムを補充燃料源として利用することもできます。より最近の SmAHTR 提案は、小型モジュール式の溶融塩冷却式だが固体TRISO燃料を使用する原子炉でした。^[10]

この設計では、交換可能なコアユニットが使用されています。^[11]グラファイト減速材が中性子束に生涯さらされることで許容限度を超えて歪み始めた場合、グラファイト減速材を取り外して交換するのではなく、IMSRコアユニット全体をユニットとして交換します。これには、ポンプ、ポンプモーター、シャットダウンロッド、熱交換器、グラファイト減速材が含まれ、これらはすべて容器内にあるか、容器に直接取り付けられています。交換を容易にするために、この設計では原子炉建屋内に2つの原子炉サイロを採用し、1つは稼働中、もう1つはアイドル状態、または以前の空の使用済みコアユニットが冷却中です。7年間の稼働後、コアユニットは停止され、その場で冷却され、短寿命の放射性核種が崩壊します。その冷却期間の後、使用済みコアユニットは持ち上げられ、最終的に交換されます。

同時に、新しいコアユニットが第 2 サイロに設置され、起動されます。これには、二次 (冷却) 塩配管への接続、格納容器ヘッドと生物学的遮蔽物の設置、および新しい燃料塩の充填が含まれます。格納容器ヘッドは二重の格納を提供します (1 つ目は密閉された原子炉容器自体です)。新しいコアユニットは、これで 7 年間の発電運転を開始できます。

IMSR ベンダーは、密封された使用済み IMSR コアユニットと使用済み燃料塩タンクを、敷地内の地下サイロに蓄積します。この運用モードにより、材料と機器の長期耐用年数に関する不確実性が軽減され、クリープや腐食などの経年劣化の問題が蓄積されることなく、設計によって材料と機器が交換されます。

IMSR はオンライン燃料供給を採用しています。運転中、少量の新しい燃料塩バッチが原子炉システムに定期的に追加されます。原子炉は循環液体燃料を使用するため、このプロセスでは複雑な機械式燃料補給装置は必要ありません。原子炉容器は決して開けられないため、クリーンな運転環境が確保されます。7 年間、原子炉から燃料が取り出されることはありません。これは、新しい燃料集合体のためのスペースを確保するために燃料を取り出さなければならないため、燃料の利用が制限される固体燃料原子炉とは異なります。

原子力発電所には、制御、冷却、封じ込めという 3 つの基本的な安全要件があります。

原子炉では、臨界 核連鎖反応を制御する必要があります。そのため、設計では炉心の反応速度を正確に制御する必要があり、必要に応じて確実に停止できる必要があります。通常操作では、IMSR は反応度制御を固有の安定性に依存しており、制御棒はありません。この動作は負の出力フィードバックとして知られており、原子炉は出力と温度が自己安定化しており、負荷追従型原子炉として特徴付けられます。原子炉の出力は、原子炉から除去される熱の量によって制御されます。熱の除去が増加すると、燃料塩の温度が下がり、反応度が増加して出力が増加します。逆に、熱の除去を減らすと、最初は原子炉の温度が上昇し、反応度が低下して、その後原子炉の出力が低下します。すべての熱を除去できなくなると、原子炉の出力は非常に低い出力レベルまで低下します。

バックアップ（およびメンテナンスのための停止方法）として、IMSR は中性子吸収材を充填した停止棒を採用しています。これらの棒は通常、循環する塩の上昇圧力によって臨界領域から外れていますが、停電やポンプの故障により循環が失われた場合は、臨界を止めるために所定の位置に落ちます。

他の溶融塩炉と同様に、燃料塩をコアユニットから貯蔵タンクに排出することで、炉を停止することもできます。

フェイルセーフバックアップは、溶融缶の形で提供され、液体中性子吸収物質が充填されており、深刻な過熱が発生した場合に原子炉を永久に停止させます。^{[引用が必要]}

原子炉は熱発電システムです。熱を生成し、輸送し、最終的に熱機関（この場合は蒸気タービン）で機械エネルギーに変換します。このようなシステムでは、発生する熱と同じ速度で熱を除去し、輸送し、変換する必要があります。

原子炉の根本的な問題は、核分裂プロセスが停止しても、核分裂生成物の放射性崩壊によって、数日または数か月にわたってかなりのレベルの熱が発生し続けることです。これは崩壊熱として知られており、この崩壊熱を除去する必要があるため、原子炉の冷却の背後にある主要な安全要因です。従来の軽水炉では、予測可能なすべての状況で冷却水の流れを継続する必要があります。そうしないと、（固体）燃料が損傷したり溶解したりする可能性があります。軽水炉は揮発性の冷却剤を使用して動作するため、緊急時には高圧運転と減圧が必要です。

IMSR は代わりに低圧の液体燃料を使用します。IMSR は、原子炉に冷却剤を運ぶことや原子炉を減圧することに依存しておらず、代わりに受動冷却を使用します。熱はコアユニットから継続的に放散されます。通常運転中は、通常運転中の原子炉容器の温度が中程度であることと、放射​​熱伝達のみを可能にするコアユニットとガード容器間の停滞した空気との組み合わせにより、熱損失が低減されます。放射熱伝達は温度に大きく依存します。コアユニットの温度が上昇すると、熱損失が急速に増加します。プライマリ塩ポンプが停止すると、原子炉は受動的に非常に小さなレベルまで電力を低下させます。前述のように、小さいながらも一定の崩壊熱によって、原子炉はゆっくりと加熱されます。グラファイトと塩の熱容量が大きいため、この温度上昇は緩やかです。温度が高くなると、放射熱損失が徐々に増加し、ガード容器自体から外気への熱損失が増加します。低圧窒素はガード容器の外側を自然対流で流れ、金属製の原子炉建屋の屋根に熱を運びます。この屋根は、外気に対する巨大なラジエーターとして機能し、必要な受動的な熱損失を提供します。^[12] その結果、崩壊熱が自然に低下する一方で、熱損失が増加します。温度がピークに達してから低下する平衡に達します。格納容器サイロ内のコアユニット全体の熱力学と慣性は、崩壊熱を吸収して分散させるのに十分です。長期的には、崩壊熱がほぼ完全に消散し、プラントがまだ回復していないため、原子炉は内部原子炉容器補助冷却システム（IRVACS）への熱損失レベルまで出力を増加させ、その低い出力レベル（および通常の温度）に無期限に留まります。

低圧窒素冷却剤が IRVACS から漏れた場合は、自然空気が同様の冷却能力を発揮します。ただし、空気中のアルゴンの核活性化はわずかです。

溶融塩は優れた熱伝達流体であり^[13]、体積熱容量は水に近く、熱伝導率も高い。

すべての溶融塩原子炉には、格納容器の安全性に貢献する機能があります。これらは主に塩自体の特性に関係しています。塩は化学的に不活性です。燃えず、可燃性もありません。塩は揮発性が低いため（沸点が約 1400 °C と高い）、炉心と冷却ループの動作圧力を低く抑えることができます。これにより、通常の動作温度である約 600 ～ 700 °C よりも大きな余裕が生まれます。これにより、冷却材/燃料の沸騰のリスク（水冷原子炉の問題）なしに低圧で動作することが可能になります。

塩の化学的安定性が高いため、水素ガス発生/爆発やナトリウム燃焼などの高エネルギー化学反応が起こりにくく、他の原子炉タイプの設計や運用の課題となる可能性があります。フッ化物塩は多くの核分裂生成物と反応して、化学的に安定した、フッ化セシウムなどの非揮発性フッ化物を生成します。同様に、ヨウ素などの他の高リスク核分裂生成物の大部分は燃料塩に溶解し、ヨウ化物塩として結合します。ただし、MSREの場合、「ヨウ素の 4 分の 1 から 3 分の 1 程度が適切に考慮されていません。」^[14]濃度が低く、他の核分裂生成物にも同様の説明の問題があるため、これが測定エラーであるかどうかは不明です。詳細については、 液体フッ化トリウム原子炉および溶融塩原子炉を参照してください。

IMSR には、複数の物理的封じ込めバリアも備わっています。密閉された一体型原子炉ユニットであるコアユニットを使用します。コアユニットは、側面と底部がガードベッセルに囲まれており、ガードベッセル自体が気密構造の鋼鉄とコンクリートのサイロに囲まれています。コアユニットは、上部が鋼鉄製の封じ込めヘッドで覆われており、そのヘッド自体が厚い円形の鋼鉄とコンクリートのプレートで覆われています。プレートは放射線シールドとして機能し、爆発や航空機の衝突による貫通などの外部の危険から保護します。原子炉建屋は、そのような外部の危険に対する追加の保護層と、制御されたフィルター空気の閉じ込めエリアを提供します。

ほとんどの溶融塩炉では、溶融燃料塩の緊急貯蔵タンクとして重力排水タンクを使用しています。IMSR では、この排水タンクを意図的に使用していません。IMSR の設計はより単純で、底部の排水ラインと、それに伴う低レベルの容器貫通のリスクを排除しています。その結果、部品が少なく、故障シナリオが少ない、よりコンパクトで堅牢な設計となっています。ただし、塩は上部からポンプで排出することで炉から排出できます。

軽水炉と比較すると、水ベースの冷却材に伴う相変化のリスクに対処する必要がないため、格納容器の規模と資本コストが大幅に削減されます。

従来の原子炉の経済性は、主に施設の建設と建設資金のコストである資本コストによって左右されます。ウランのコストは比較的低いですが、従来の燃料製造にはかなりの運用コストがかかります。

資本コストが支配的であるため、ほとんどの原子力発電所は原子炉システムの総出力を増加させることでワット当たりのコストを削減しようとしてきました。しかし、これは資金調達、管理、標準化が困難な非常に大規模なプロジェクトにつながることがよくあります^[要出典]。

テラストリアル・エナジー社は、従来のシステムに比べて安全余裕度を高め、よりコンパクトで効率的な原子炉システムを製造し、複雑な燃料製造プロセスを回避することで、この点で進歩を遂げたと述べている。

溶融塩は蒸気圧が低く、熱容量が大きいため、原子炉と格納容器はコンパクトで低圧にすることができます。これにより、建設のモジュール化がさらに進みます。

溶融塩による動作温度の上昇により、熱力学的効率が向上します。IMSR は、同等サイズの水冷式 SMR よりも約 40% 多くの電力を生産します。その結果、同じサイズの原子炉から約 40% 多くの収益が得られ、原子炉の経済性に大きな影響を与えます。この設計により、同じ量の燃料から「使用済み」と見なされる前に、より多くのエネルギーを抽出できます。

従来の原子力発電炉のコストの大部分は安全性と、その結果生じる品質および規制要件に関係しており、コストが上昇する可能性があります。IMSR アプローチは、複雑なアクティブ システムではなく、固有のパッシブな安全機能に頼ることによって、この重要な分野でのコストを削減しながら、安全性プロファイルを向上させる可能性があります。

• 制御には、制御棒を能動的に位置決めする原子炉制御システムではなく、反応度フィードバックによる固有の原子炉出力制御が使用されます。
• 冷却には、熱損失に基づく常時オンの受動冷却システムを採用し、安全レベルの崩壊熱除去を実現します。従来の原子炉とは異なり、IMSR の崩壊冷却機構にはバックアップ電源は必要ありません。
• 封じ込めに関しては、塩の特性が水冷式原子炉との重要な違いとなります。塩は蒸気圧が低く、沸点が高く、化学的に安定しています。そのため、封じ込め設計から高圧と水素の脅威が排除され、必要な封じ込め容積、設計圧力、および付随コストが削減されます。塩のセシウム保持率が高いため、事故時に利用可能なソース タームが減り、基本的なリスク プロファイルがさらに軽減されます。

加圧水型原子炉や沸騰水型原子炉などの従来の原子炉は、冷却剤として水を使用します。高温では水の蒸気圧が高くなるため、通常は 300 °C 付近の比較的低い温度でしか動作できません。これにより、熱力学的効率は、通常 32～34% 程度に制限されます。言い換えると、水冷式発電炉は、原子炉出力 100 ワットごとに 32～34 ワットの電力を生成します。

塩の熱安定性が高く蒸気圧が低いため、より高温での運転が可能になる。IMSRは、約550～600℃の温度で最終的な熱を提供し、その結果、45～48％の効率が得られる。^[6] IMSRは、従来の商用原子炉と比較して、原子炉熱出力あたりの電力を約1.4倍生産する。したがって、同じ原子炉電力から約40％多くの収益を生み出す。これは、プロジェクトの経済性に大きな影響を与える。さらに、IMSRの高温により、他の場所では使用されていない特殊な低温タービンを必要とする従来の原子力発電所とは対照的に、石炭火力発電所ですでに一般的に使用されている、よりコンパクトで低コストのタービンシステムの使用が可能になる。これにより、資本コストをさらに削減できる。^[15]

原子力効率 - 発電量あたりに使用される核燃料の量。ウランは比較的安価ですが、従来の原子力施設では燃料製造コストが高いため燃料コストがかなり高くなります。IMSR では高価な製造プロセスのほとんどが不要になるため、燃料コストはごくわずかになると予想されます。

コストの主な要因は、使用される機器の性質にあります。標準化された製造コンポーネントは、特殊なコンポーネントやカスタム コンポーネントよりもコストが低くなります。

溶融塩は体積熱容量が大きく、蒸気圧が低く、水素発生の可能性がないため、原子炉や格納容器、その他の機器エリアに大容量の高圧容器は必要ありません。これにより、水冷式原子炉に比べて炉心ユニットと格納容器のサイズが小さくなります。同様に、使用される溶融塩熱交換器は、PWR で採用されている大型の蒸気発生器よりもコンパクトです。

コンパクトなコアユニットは、IMSR システムの基本的なモジュール性を形成します。コアユニットは同一であり、制御された屋内環境で製造できるほど小型です。

高圧は、品質要件と必要な材料（厚さ）の両方を増大させるため、あらゆるコンポーネントのコスト要因となります。大型の高圧コンポーネントには、入手が限られている重溶接と鍛造が必要です。加圧水型原子炉（PWR）の一般的な動作圧力は 150 気圧以上です。IMSR の場合、塩の蒸気圧が低く沸点が高いため、コアユニットは大気圧またはそれに近い圧力で動作します（塩の静水圧重量による数気圧の圧力を除く）。これは、動作温度が高いにもかかわらずです。その結果、製造とモジュール化が容易な、より軽量で薄いコンポーネントが実現します。

エネルギーに対する市場の需要が大きい非電気アプリケーションは、蒸気改質、紙およびパルプ製造、化学薬品およびプラスチックなど、多岐にわたります。従来の水冷式リアクターは、動作温度が約 300 °C と低く、単一ポイントの産業用熱需要を満たすにはサイズが大きすぎるため、これらの市場のほとんどには適していません。IMSR はサイズが小さく、動作温度が高い (リアクター内は約 700 °C、最大 600 °C まで供給) ため、これらのプロセス熱アプリケーションで新しい市場を開拓できる可能性があります。さらに、熱と電気の両方を生成するコジェネレーションも魅力的です。

テラストリアル・エナジーは、IMSRの商業化を目的として2013年にカナダで設立され、現在は熱出力400MW（電気出力190MWに相当）のIMSR設計のライセンス取得（カナダと米国の両方で）に取り組んでいます。^[16] 標準的な産業用蒸気タービンが提案されているため、熱電併給も可能となっています。

2016年、テラストリアル・エナジーはカナダ原子力安全委員会（CNSC）と共同でIMSRの認可前設計審査に着手した。^{[2] [3]} 同社は2017年後半にこのプロセスの第1段階を無事完了し、^[4] 2018年10月に設計審査の第2段階に入った。 [5] テラストリアル・エナジーは、2020年代に最初の商用IMSRの認可と運用を開始すると主張している。 [ ^{5 ]}

2019年8月15日、CNSCと米国原子力規制委員会は、先進炉と小型モジュール炉技術の技術レビューを強化することを目的とした共同協力覚書（MOC）に署名した。MOCの一環として、両機関は2022年5月に、IMSR®のTerrestrial Energyの想定起因事象（PIE）分析と方法論の共同レビューを実施した。この作業は、カナダと米国でIMSR®プラントを運転するために必要なライセンス申請を準備するための規制安全レビューと規制プログラムの基礎となるものである。^[17]

2023年にCNSCはベンダー設計レビューの第2フェーズを完了し、IMSR設計のライセンス取得に根本的な障害はないと宣言した。しかし、この決定は拘束力がなく、Terrestrial Energyは引き続き敷地と建設のライセンスを取得して進める必要がある。^[18]

ウィキメディア・コモンズの一体型溶融塩炉に関連するメディア

• ピーター・ケリー・デトワイラー。「溶融塩原子炉：アメリカの長期的なエネルギーの未来の一部となるか？」フォーブス。
• 「溶融塩炉へのビジネス重視のアプローチ」。
• 「一体型溶融塩炉」（PDF）。原子力ニュース。アメリカ原子力協会。2014 年 12 月。
• IAEA. 「国際原子力機関 ARIS データベース エントリ: IMSR400」(PDF)。IAEA ARIS データベース。