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液体金属冷却炉（LMR ）は、一次冷却材として液体金属を用いるタイプの原子炉である。液体金属冷却炉は、当初は増殖炉による発電に採用された。また、原子力潜水艦の動力源としても利用されている。
金属冷却材は熱伝導率が高いため、効率的に熱を除去し、高い出力密度を実現します。そのため、船舶や潜水艦など、サイズと重量が重要な用途において魅力的な選択肢となります。ほとんどの水系原子炉は沸点を上げるために高圧に加圧されますが（これにより冷却能力が向上します）、液体金属冷却材にはない安全性とメンテナンス上の課題が生じます。さらに、液体金属の高温は、高い熱力学的効率で電力変換サイクルを駆動するために利用できます。このため、原子力発電所の出力、コスト効率、燃料効率の向上に魅力的な選択肢となります。
液体金属は電気伝導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、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、放射性放射化生成物の生成など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る。
現在までに、ほとんどの高速中性子炉は液体金属冷却方式を採用しており、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た場合（例えば、核分裂性物質を増殖させるための周囲材料、すなわち増殖ブランケットを備えた場合）、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小さく、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つ必要がある。
液体金属は一般的に沸点が高いため、冷却材が沸騰して冷却材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、ほぼ大気圧での運転が可能となり、事故の可能性をさらに大幅に低減できます。一部の設計では、炉心全体と熱交換器を冷却材のプールに浸すことで、内部冷却が失われるリスクを事実上排除しています。
クレメンタインは液体金属冷却式原子炉の先駆けであり、室温で液体であることから当然の選択肢と考えられていた水銀冷却材を使用していた。しかし、高毒性、室温でも高い蒸気圧、加熱時に有害なガスを発生させる低い沸点、比較的低い熱伝導率[ 2 ]、高い中性子断面積[ 3 ] などの欠点があるため、人気がなくなってしまった。
ナトリウムとNaK（ナトリウム・カリウム共晶合金）は鋼鉄を著しく腐食させることはなく、多くの核燃料と適合性があるため、構造材料の選択肢が広がる。NaKは、1951年に建設された最初の増殖炉プロトタイプである実験増殖炉1号機（EBR-1）の冷却材として使用された。
ナトリウムは中性子減速材としては劣っており、ナトリウム冷却高速炉のように高速中性子スペクトルで原子炉を運転することを可能にする。また、ナトリウム黒鉛炉（SGR ）のように、黒鉛などの別の減速材と組み合わせることで、熱中性子炉の冷却材としても使用できる。黒鉛減速炉であるSGRは、濃縮ウランの代わりに天然ウラン燃料の使用を可能にし、そのナトリウム冷却材は高温運転を可能にし、したがって高い熱効率を実現する。[ 4 ]液体ナトリウムは低圧のままであるため、SGRは軽水炉の高価な原子炉圧力容器や配管システムを回避できる。また、強い即時負の燃料温度反応度係数を特徴としており、このような原子炉は比較的制御しやすい。[ 5 ] SGRは1950年代にナトリウム原子炉実験から始まり実験されたが、ナトリウム冷却材の問題と競合する軽水炉設計との競争によりすぐに支持を失った。[ 4 ]
しかし、ナトリウムとNaKは空気と接触すると自然発火し、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ことです。ナトリウムは、実験増殖炉IIで使用された冷却材でした。1986年に招待された国際的な聴衆の前で、「歩いて立ち去る」ことができることが実証されました。ナトリウムは、現在商業運転中のロシアのBN原子炉シリーズと中国のCFRシリーズでも使用されている冷却材です。[ 6 ] [ 7 ]ナトリウムの中性子活性化により、これらの液体は運転中に非常に放射能を帯びますが、半減期が短いため、その放射能は追加の廃棄上の懸念事項にはなりません。
第4世代金属ガス冷却高速炉（LMFR）には、ナトリウム冷却方式の提案が2つあり、1つは酸化物燃料に基づくもの、もう1つは金属燃料一体型高速炉に基づくものである。
GE Vernova Hitachi製の ナトリウム冷却式PRISM原子炉は、 TerraPower社がワイオミング州ケメラーに建設中のNatriumシステムの一部となる予定だ。
鉛は優れた中性子特性（反射、低吸収）を持ち、ガンマ線に対する非常に強力な放射線遮蔽材です。鉛の沸点が高いため、通常の運転条件より数百℃高い温度に達し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、鉛は融点が高く蒸気圧も高いため、鉛冷却原子炉の燃料交換と保守は困難です。鉛とビスマスを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に使用されるほとんどの金属に対して非常に腐食性が高いです[ 8 ] [ 9 ]。鉛の高密度と高粘度によりポンプのコストが大きくなり、システム全体の効率が低下します。鉛とビスマスの中性子吸収により、比較的半減期の長い放射性同位体が生成されます。これらのうち最も危険なのはポロニウム210で、2006年11月1日にアレクサンドル・リトビネンコを毒殺するために使用されました。
鉛ビスマス共晶は、より低い温度での動作を可能にし、より低い温度範囲での金属冷却材の凍結を防ぎます（共晶点：123.5 °C / 255.3 °F）。[ 8 ] [ 10 ]
腐食性が非常に高いことに加えて、[ 8 ] [ 9 ]主な欠点は中性子放射化により209が生成されること210のBi（およびその後のベータ崩壊）ポロニウム（半減期138 . 38日）は揮発性のアルファ線放出核種であり、放射能毒性が非常に高い（既知の放射能毒性の中で最も高く、プルトニウムよりも高い）。
錫は、現在では原子炉の冷却材としては使用されておらず、地殻を形成するが、[ 11 ]原子力災害や冷却材喪失事故の際には、有用な追加または代替冷却材となる可能性がある。[ 12 ]
ソ連のノベンバー級潜水艦K-27とアルファ級潜水艦7隻すべては、鉛ビスマス共晶合金で冷却され、ベリリウムで減速された原子炉を推進装置として使用していた。（K-27にはVT-1原子炉、その他にはBM-40AおよびOK-550原子炉が使用されていた。）
2番目の原子力潜水艦であるUSSシーウルフ は、ナトリウム冷却ベリリウム減速式原子炉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、過熱器に漏洩があり、バイパスされました。艦隊の原子炉を標準化するため、1958年から潜水艦のナトリウム冷却ベリリウム減速式原子炉は撤去され、加圧水型原子炉に置き換えられました。
液体金属冷却原子炉は、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での使用を目的として研究された。[ 13 ]
ナトリウム原子炉実験は、当時ノースアメリカン・アビエーションのアトミックス・インターナショナル部門が運営していたサンタ・スサナ野外研究所の一区画に設置された、ナトリウム冷却黒鉛減速型原子炉（ナトリウム黒鉛原子炉、またはSGR）の実験施設であった。
1959年7月、ナトリウム原子炉実験では、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るという深刻な事故が発生した。[ 14 ]原子炉は1960年9月に修理されて運転を再開し、1964年に運転を終了した。原子炉は合計37GW-hの電力を発電した。
SREは、ネブラスカ州で稼働していた、ナトリウム冷却式黒鉛減速型SGRであるハラム原子力発電所のプロトタイプであった。
ミシガン州モンロー郡にあったフェルミ1号炉は、1963年から1972年まで稼働した実験的な液体ナトリウム冷却高速増殖炉であった。米国原子力委員会（AEC）が強行した不適切な設計変更（アルゴンヌ国立研究所はこれに反対した）の結果、 1963年に部分的な炉心溶融事故が発生し、1975年に廃炉となった。
出力20メガワットの実験増殖炉IIは1964年に運転を開始し、1994年にクリントン政権によって研究プログラムとともに廃止されるまで、完璧に稼働し続けた。ノーベル物理学賞受賞者のハンス・ベーテは、この原子炉を「これまで建造された中で最高の研究用原子炉」と評した。この原子炉はアイダホフォールズ近郊のアイダホ国立研究所施設全体に電力を供給し、余剰電力は地元の電力網に売電していた。
スコットランド最北端のケイスネスにあるドゥンレイでは、英国原子力公社（UKAEA）がドゥンレイ高速炉（DFR）を1959年から1977年まで稼働させ、冷却材としてNaKを使用し、その期間に600ギガワット時の電力を送電網に供給した。その後、同じ場所にプロトタイプ高速炉（PFR）が建設され、1974年から1994年まで稼働し、冷却材として液体ナトリウムを使用した。
ソ連のBN-600はナトリウム冷却方式を採用している。BN -350とEBR-Iは液体金属合金であるNaKを冷却材として使用した。NaKは室温で液体である。液体金属冷却は、インテグラル高速炉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る。
現在開発中の第4世代原子炉の多くは、ナトリウム冷却高速炉（SFR）や鉛冷却高速炉など、液体金属冷却方式を採用している。