液体金属冷却炉

液体金属冷却原子炉（LMR）は、主な冷却材が液体金属であるタイプの原子炉です。液体金属冷却原子炉は、増殖炉発電用に最初に採用されました。また、原子力潜水艦の動力源としても使用されています。

金属冷却材は熱伝導率が高いため、熱を効果的に除去し、高い電力密度を実現します。このため、船舶や潜水艦など、サイズと重量が重要視される状況では魅力的です。ほとんどの水ベースの原子炉設計では、沸点を上げるために高圧がかけられています(これにより冷却能力が向上します)。このため、液体金属設計にはない安全性とメンテナンスの問題が生じます。さらに、液体金属の高温を利用して、高い熱力学的効率で電力変換サイクルを駆動できます。このため、原子力発電所の 電力出力、コスト効率、燃料効率を向上させるのに魅力的です。

液体金属は導電性が非常に高いため、電磁ポンプで移動させることができます。^[1]欠点としては、不透明な溶融金属に浸された原子炉の検査や修理に伴う困難さが挙げられ、金属の選択によっては、火災の危険性（アルカリ金属の場合）、腐食、および/または放射性活性化生成物の生成が問題となる場合があります。

液体金属冷却材は、熱中性子炉と高速中性子炉の両方に適用されています。

現在までに、ほとんどの高速中性子炉は液体金属冷却式であるため、液体金属冷却高速炉 (LMFR) と呼ばれています。増殖炉として構成される場合 (増殖ブランケット^{[定義が必要]}付きなど)、そのような原子炉は液体金属高速増殖炉 (LMFBR) と呼ばれます。

適切な液体金属冷却材は、中性子捕獲断面積が低く、構造材料の過度の腐食を引き起こさず、原子炉の運転温度に適した融点と沸点を持っている必要があります。

液体金属は一般に沸点が高いため、冷却剤が沸騰して冷却剤喪失事故につながる可能性が低くなります。蒸気圧が低いため、ほぼ大気圧で動作でき、事故の可能性がさらに大幅に減ります。設計によっては、炉心と熱交換器全体を冷却剤プールに浸し、内部ループの冷却が失われるリスクを事実上排除します。

クレメンタインは世界初の液体金属冷却原子炉であり、冷却材として水銀を使用していた。水銀は室温で液体であるため当然の選択と考えられていた。しかし、毒性が高く、室温でも蒸気圧が高く、沸点が低いため加熱すると有毒ガスが発生し、熱伝導率が比較的低く^{[2] 、}中性子断面積が大きい^[3]などの 欠点があるため、あまり好まれなくなった。

ナトリウムと NaK (共晶ナトリウムカリウム合金) は鋼を著しく腐食せず、多くの核燃料と互換性があるため、構造材料の幅広い選択が可能です。NaK は、1951 年に最初の増殖炉プロトタイプである実験増殖炉 1 号機の冷却材として使用されました。

しかし、ナトリウムと NaK は空気に触れると自然発火し、水と激しく反応して水素ガスを生成します。これは、 1995 年のもんじゅ原子力発電所の事故と火災で起こったケースです。ナトリウムは、現在商業運転されているロシアの BN 原子炉シリーズと中国の CFR シリーズで使用されている冷却材でもあります。^{[要出典]ナトリウムの} 中性子放射化により、これらの液体は運転中に非常に放射性になりますが、半減期は短いため、放射能による追加の廃棄の懸念はありません。

ナトリウム冷却型第4世代LMFRには2つの提案があり、1つは酸化物燃料をベースにしたもの、もう1つは金属燃料一体型高速炉をベースにしたものである。

鉛は中性子特性（反射、低吸収）に優れ、ガンマ線に対する非常に強力な放射線遮蔽材です。鉛は沸点が高いため、通常の運転条件より数百度高くても原子炉を効率的に冷却できるため、安全上の利点があります。しかし、鉛は融点と蒸気圧が高いため、鉛冷却原子炉の燃料補給や整備は困難です。鉛をビスマスと合金化することで融点を下げることができますが、鉛ビスマス共晶は構造材料として使用されるほとんどの金属^{[4] [5]}に対して非常に腐食性があります。

鉛ビスマス共晶合金は、低温域での金属冷却材の凍結を防ぎながら、より低温での動作を可能にします（共晶点：123.5℃ / 255.3℉）。^{[4] [6]}

非常に腐食性が高いことに加え、^{[4] [5]}主な欠点は、中性子放射化によって²⁰⁹
Bi（およびそれに続くベータ崩壊）の²¹⁰
Po ( T _{1 ⁄ 2} = 138.38 日)、揮発性のアルファ線放出物質で、放射毒性が非常に高い(既知の放射毒性の中で最も高く、プルトニウムを超える)。

スズはクラストを形成するため、現在では原子炉の冷却材としては使用されていないが^[7]、原子力災害や冷却材喪失事故の際には、追加または交換用の冷却材として有用である。

スズのさらなる利点は、沸点が高く、液体スズの上にも殻を形成できることで、有毒物質の漏れを覆い、冷却剤を原子炉内に保つのに役立ちます。ウクライナの研究者によってテストされており、福島第一原子力発電所の事故における沸騰水型原子炉を液体スズ冷却原子炉に改造することが提案されました。^[8]

ソ連の ノベンバー級 潜水艦 K-27とアルファ級潜水艦全 7 隻は、鉛ビスマス共晶で冷却されベリリウムで減速される原子炉を推進装置として使用しました。( K-27ではVT-1 原子炉、その他ではBM-40AおよびOK-550 原子炉)

2番目の原子力潜水艦、USS シーウルフは、ナトリウム冷却ベリリウム減速原子力発電所を搭載した唯一の米国潜水艦でした。1957年に就役しましたが、過熱装置に漏れがあり、バイパスされました。艦隊の原子炉を標準化するため、^[要出典]潜水艦のナトリウム冷却ベリリウム減速原子炉は1958年から取り外され、加圧水型原子炉に置き換えられました。

液体金属冷却炉は、航空機原子力推進プログラムの一環として、プラット・アンド・ホイットニー社によって原子力航空機への使用が研究された。^[9]

ナトリウム原子炉実験は、当時ノースアメリカン航空のアトミックス・インターナショナル部門によって運営されていたサンタ・スザナ野外研究所の一部に設置された実験用のナトリウム冷却黒鉛減速原子炉（ナトリウム黒鉛炉、または SGR）でした。

1959年7月、ナトリウム原子炉実験所で重大な事故が発生し、43個の燃料要素のうち13個が部分的に溶融し、放射性ガスが大量に放出されました。^[10]原子炉は修理され、1960年9月に再稼働し、1964年に運転を終了しました。原子炉は合計37GW-hの電力を生産しました。

SRE は、ネブラスカ州で稼働していた別のナトリウム冷却グラファイト減速 SGR であるハラム原子力発電所の原型でした。

ミシガン州モンロー郡のフェルミ1号は、1963年から1972年まで稼働していた実験的な液体ナトリウム冷却高速増殖炉であった。1963年に部分的な原子炉メルトダウンが発生し、1975年に廃止された。

スコットランド最北端のケイスネス州ドゥンレイでは、英国原子力庁（UKAEA）が1959年から1977年までNaKを冷却材としてドゥンレイ高速炉（DFR）を運転し、その期間に600GW-hの電力を送電網に供給した。同施設ではその後、1974年から1994年まで液体ナトリウムを冷却材として運転した プロトタイプ高速炉PFRが引き継がれた。

ソ連のBN-600はナトリウム冷却式です。BN -350と米国のEBR-II原子力発電所はナトリウム冷却式でした。EBR -Iは冷却に液体金属合金NaKを使用しました。NaKは室温で液体です。液体金属冷却は、 Integral Fast Reactorなどの高速増殖炉を含むほとんどの高速中性子炉でも使用されています。

研究対象となっている第 4 世代原子炉の多くは液体金属冷却式です。

• ナトリウム冷却高速炉（SFR）
• 鉛冷却高速炉