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原子炉は、制御された核分裂連鎖反応を維持するために使用される装置です。これらは、商業用電力、船舶推進、兵器製造、および研究に使用されます。核分裂性原子核（主にウラン235またはプルトニウム239）は、単一の中性子を吸収して分裂し、エネルギーと複数の中性子を放出し、さらなる核分裂を引き起こす可能性があります。原子炉は、炉心内の中性子吸収材と減速材を調整することで、これを安定化します。燃料効率は非常に高く、低濃縮ウランは石炭の12万倍のエネルギー密度があります。[ 1 ] [ 2 ]
核分裂による熱は作動流体冷却材に伝達される。商用原子炉では、この熱でタービンや発電機の軸が回転する。一部の原子炉は地域暖房や、医療・産業用途の同位体生産にも利用されている。[ 3 ]
1938年に核分裂が発見された後、多くの国が軍事核研究プログラムを開始しました。初期の臨界未満実験では中性子学が調査されました。1942年には、冶金研究所によって最初の人工臨界原子炉であるシカゴ・パイル1が建設されました。[ 5 ] 1944年からは、兵器生産のために、最初の大型原子炉がハンフォード・サイトで稼働しました。商業用原子炉の約70%で使用されている加圧水型原子炉の設計は、 1953年のS1Wを皮切りに、米海軍潜水艦の推進用に開発されました。 [ 6 ] 1954年には、ソビエト連邦のオブニンスク原子力発電所で小規模な原子力発電が始まりました。[ 7 ]最初の商業用原子力発電所は、1956年に稼働を開始したイギリスのセラフィールドにあるカルダー・ホールでした。
使用済み燃料は再処理することができ、核廃棄物を削減し、原子炉で使用可能な燃料を回収できる可能性がある。[ 8 ]これはまた、核兵器用のプルトニウムの製造を通じて核拡散のリスクをもたらす。
原子炉事故は、設計上の問題と運転員の不手際が複合的に作用して発生している。1979年のスリーマイル島事故（INESレベル5）、1986年のチェルノブイリ事故、そして2011年の福島原発事故（いずれもレベル7）は、原子力産業と反原発運動に大きな影響を与えた。
2025年現在世界中で、商用原子炉が 417 基、研究用原子炉が226 基、船舶推進用原子炉が 200 基以上稼働している。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]商用原子炉は世界の電力供給の 9% を供給しており、[ 13 ]再生可能エネルギーによる供給は 30% であるのに対し、[ 14 ]これらを合わせると低炭素電力となる。この電力のほぼ 90% は加圧水型原子炉と沸騰水型原子炉によるものである。[ 6 ]その他の設計には、ガス冷却型、高速スペクトル型、増殖型、重水型、溶融塩型、小型モジュール型があり、[ 15 ]それぞれ安全性、効率、コスト、燃料の種類、濃縮度、燃焼度を改善しているほか、現在では廃止された軽水黒鉛炉もある。
1940年代初頭の核研究において、「原子炉」という用語は、ウランと中性子増倍の試みを含むあらゆる装置を指すのに使われ、そのほとんどは臨界未満であった。シカゴ・パイル1号機が自己持続的な連鎖反応を実証した後、「原子炉」という用語がより一般的になった。「原子炉」や「原子炉」という用語も一般的であった。[ 16 ] [ 17 ]
臨界質量実験ははるかに単純ですが、ゴディバ装置のように研究用原子炉と呼ばれることもあります。[ 18 ] [ 19 ]
「原子炉」という用語は、主に核分裂炉を指すのに使われます。核融合炉を指す場合もありますが、核融合炉については、正味負電力システムのみが建設されています。放射性同位体熱電発電機や放射性同位体ヒーターユニットは、核崩壊反応から電力を得ますが、反応を誘発しないため、原子炉とは呼ばれません。[ 20 ]
従来の火力発電所が化石燃料の燃焼によって放出される熱エネルギーを利用して発電するのと同様に、原子力発電所は制御された核分裂によって放出されるエネルギーを熱エネルギーに変換し、さらに機械的または電気的な形態に変換する。
ウラン235、ウラン233、プルトニウム239などの大きな核分裂性原子核が中性子を吸収すると、核分裂を起こすことがあります。重い原子核は2つ以上の軽い原子核（核分裂生成物）に分裂し、運動エネルギー、ガンマ線、および自由中性子を放出します。これらの自由中性子の一部は他の核分裂性原子に吸収され、さらなる核分裂反応を引き起こし、さらに多くの自由中性子を放出します。これを核連鎖反応といいます。
このような核連鎖反応を制御するために、中性子毒物と中性子減速材を含む制御棒によって、さらなる核分裂を引き起こす中性子の割合を変えることができる。[ 21 ]原子炉には一般的に、監視装置や計器が危険な状態を検出した場合に核分裂反応を停止するための自動および手動のシステムが備わっている。[ 22 ]
原子炉炉心は、いくつかの方法で熱を発生させる。
核反応によって変換されたウラン235 （U-235） 1キログラムは、従来の方法で燃焼された石炭1キログラムよりも約300万倍のエネルギーを放出します（ウラン235 1キログラムあたり7.2 × 10 13ジュール、石炭1キログラムあたり2.4 × 10 7ジュール）。 [ 23 ] [ 24 ]
ウラン235 1キログラムの核分裂によって放出されるエネルギーは約190 億キロカロリーであり、これは ウラン235 1キログラムが放出されるエネルギーが 、石炭270万キログラムを燃焼させたときに放出されるエネルギーに相当する。
原子炉冷却材（通常は水だが、ガスや液体金属（液体ナトリウムや鉛など）、溶融塩の場合もある）が原子炉炉心を通過して循環し、発生する熱を吸収する。熱は原子炉から運び出され、蒸気の発生に利用される。ほとんどの原子炉システムでは、加圧水型原子炉のように、タービン用の加圧蒸気を生成するために沸騰させる水とは物理的に分離された冷却システムを採用している。しかし、沸騰水型原子炉のように、蒸気タービン用の水が原子炉炉心で直接沸騰する原子炉もある。[ 25 ]
原子炉炉心内の核分裂反応の速度は、さらなる核分裂反応を引き起こす中性子の量を制御することによって調整できます。原子炉は通常、原子炉の出力調整のためにいくつかの中性子制御方法を採用しています。これらの方法の中には、放射性崩壊の物理法則から自然に生じるもので、原子炉の運転中に単純に考慮されるものもあれば、特定の目的のために原子炉設計に組み込まれた機構もあります。
原子炉内の核分裂誘発中性子のレベルを調整する最も迅速な方法は、制御棒を移動させることです。制御棒は、いわゆる中性子吸収材でできており、中性子を吸収します。制御棒を原子炉の奥深くまで挿入すると、それが押し出す物質（多くの場合、減速材）よりも多くの中性子を吸収します。この作用により、核分裂を引き起こす中性子が減少し、原子炉の出力が低下する可能性があります。逆に、制御棒を引き抜くと、核分裂の発生頻度が増加し、出力が増加する可能性があります。
放射性崩壊の物理現象は、原子炉内のニュートロン数にも影響を与えます。その一つが、中性子過剰核分裂同位体による遅発中性子放出です。これらの遅発中性子は、核分裂で生成される全ニュートロンの約0.65%を占め、残りは（「即発中性子」と呼ばれる）核分裂直後に放出されます。遅発中性子を生成する核分裂生成物の崩壊半減期は、数ミリ秒から数分に及ぶため、原子炉が臨界点に達した正確な時期を判断するにはかなりの時間を要します。遅発中性子が臨界質量状態を達成するために必要な連鎖反応領域に原子炉を維持することで、機械装置や人間の操作員が「リアルタイム」で連鎖反応を制御することが可能になります。そうでなければ、通常の核連鎖反応による指数関数的な出力サージの結果として、臨界状態に達してから炉心溶融に至るまでの時間が短すぎて、介入する時間がなくなってしまいます。遅発中性子が臨界維持に不要となるこの最終段階は、即発臨界点として知られています。臨界を数値で表すための尺度があり、裸の臨界は0ドル、即発臨界点は1ドル、その他の段階はセント単位で表されます。
原子炉によっては、冷却材が中性子減速材としても機能します。減速材は、核分裂によって放出された高速中性子のエネルギーを奪い、熱中性子に変えることで、原子炉の出力を高めます。熱中性子は高速中性子よりも核分裂を起こしやすい性質があります。冷却材が減速材として機能する場合、温度変化によって冷却材／減速材の密度が変化し、結果として出力も変化します。温度が高い冷却材は密度が低くなるため、減速材としての効果が低下します。
他の原子炉では、冷却材は制御棒と同様に中性子を吸収することで毒物として作用します。これらの原子炉では、冷却材を加熱することで密度が低くなり、毒物としての性質が弱まるため、出力が増加することがあります。原子炉には一般的に、緊急停止時に原子炉をスクラムするための自動および手動システムが備わっています。これらのシステムは、危険な状態が検出または予測された場合に、大量の毒物（多くの場合、ホウ酸の形でホウ素）を原子炉に注入して核分裂反応を停止させます。[ 26 ]
ほとんどのタイプの原子炉は、キセノン中毒またはヨウ素ピットと呼ばれる現象に敏感です。核分裂反応で生成される一般的な核分裂生成物であるキセノン135は、中性子を吸収する中性子毒として働き、原子炉を停止させる傾向があります。キセノン135の蓄積は、生成されるのとほぼ同時に中性子吸収によって破壊できるほど高い出力を維持することで制御できます。核分裂ではヨウ素135も生成され、これは（半減期6.57時間で）崩壊して新しいキセノン135になります。原子炉が停止すると、ヨウ素135はキセノン135に崩壊し続け、キセノン135がセシウム135に崩壊するため、原子炉の再稼働が1～2日間困難になります。セシウム135はキセノン135ほど毒性は強くなく、半減期は9.2時間です。この一時的な状態は「ヨウ素ピット」と呼ばれます。原子炉に十分な過剰反応度があれば、再稼働できます。余分なキセノン135が中性子吸収がはるかに少ないキセノン136に変換されるにつれて、数時間以内に原子炉は「キセノン燃焼（出力）過渡現象」を経験します。失われたキセノン135の中性子吸収を補うために、制御棒をさらに挿入する必要があります。このような手順を適切に実行しなかったことが、チェルノブイリ事故の重要なステップでした。[ 27 ]
原子力船舶推進（特に原子力潜水艦）に使用される原子炉は、陸上発電所の原子炉のように24時間連続運転することはできない場合が多く、また、燃料交換なしで非常に長い炉心寿命が必要となる場合も多い。このため、多くの設計では高濃縮ウランを使用するが、燃料棒に可燃性中性子吸収材を組み込んでいる。[ 28 ]これにより、原子炉を過剰の核分裂性物質で構築することができる。燃料燃焼サイクルの初期段階では、中性子吸収材の存在によって安全性が維持される。燃料負荷の運転寿命を通じて、この初期吸収材は、キセノン135よりもはるかに長く持続し蓄積する自然生成中性子吸収材に徐々に置き換えられる。
核分裂過程で放出されるエネルギーは熱を発生させ、その一部は利用可能なエネルギーに変換できます。この熱エネルギーを利用する一般的な方法は、水を沸騰させて加圧蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを回し、発電機を回転させて発電することです。[ 26 ]
現代の原子力発電所は通常 60 年で設計されていますが、古い原子炉は計画された平均寿命が 30 ～ 40 年で建設されましたが、その多くは改修と 15 ～ 20 年寿命延長を受けています。[ 29 ]適切な保守と管理を行えば、原子力発電所は 80 年以上稼働できると考える人もいます。蒸気発生器など、原子力発電所のほとんどのコンポーネントは耐用年数が終わると交換されますが、発電所全体の寿命は、原子炉圧力容器のように、摩耗や中性子脆化によって経年劣化しても交換できないコンポーネントの寿命によって制限されます。[ 30 ]計画された寿命の終わりに、発電所は 20 年程度の運転許可の延長を受けることができ、米国ではさらに 20 年間の「後続許可更新」(SLR) を受けることもあります。[ 31 ] [ 32 ]
ライセンスが延長されたとしても、特に安全上の懸念や事故に直面した場合、原子炉が引き続き稼働することを保証するものではありません。多くの原子炉は、ライセンスや設計寿命が切れるずっと前に閉鎖され、廃炉となります。安全な運転を継続するために必要な交換や改良の費用が高すぎて費用対効果が得られない場合や、技術的な故障により原子炉が停止される場合もあります。[ 33 ]福島、スリーマイル島、セラフィールド、チェルノブイリのように、周辺地域が汚染されたために閉鎖された原子炉もあります。[ 34 ]例えば、フランスのEDFエナジーの英国支社は、改良型ガス冷却炉（AGR）の運転寿命をわずか3年から10年しか延長していません。[ 35 ] 7基すべてのAGRプラントは2022年に閉鎖され、2028年までに廃炉となる予定でした。[ 36 ]ヒンクリーポイントBは40年から46年に延長され、閉鎖されました。ハンターストンBでも同様のことが起こった。これも46年後のことだった。
原子炉の数は増加しており、設計寿命である30年または40年に達するか、それを超えている。グリーンピースは2014年に、老朽化した原子力発電所の寿命延長は新たなリスクの時代に突入することになると警告した。グリーンピースは、現在の欧州の原子力賠償責任保険の平均額は、想定される費用をカバーするには100倍から1000倍も低すぎると推定しており、同時に、原子炉群が老朽化するにつれて、欧州で重大な事故が発生する可能性は高まり続けている。[ 37 ]
中性子は1932年にイギリスの物理学者ジェームズ・チャドウィックによって発見された。1933年、ハンガリーの科学者レオ・シラードは中性子を介した核連鎖反応の概念を考案した。彼は翌年、イギリスのロンドンにある海軍本部で働きながら、単純な原子炉のアイデアの特許を申請した。[ 38 ]しかし、シラードのアイデアには、核分裂がまだ発見されていなかったため、中性子源として核分裂は組み込まれていなかった。軽元素で中性子を介した核連鎖反応を利用する原子炉に関するシラードのアイデアは、実現不可能であることが判明した。
ウランを用いた新型原子炉の着想は、 1938年にオットー・ハーン、リーゼ・マイトナー、フリッツ・シュトラスマンが、ウランに中性子（アルファ粒子とベリリウムの核融合反応、いわゆる「中性子榴弾砲」によって供給される）を照射するとバリウム残留物が生成されることを発見したことに由来する。彼らは、この残留物はウラン原子核の核分裂によって生成されたものだと考えた。1939年2月に発表された核分裂に関する2番目の論文で、ハーンとシュトラスマンは核分裂過程において追加の中性子が存在し、放出されることを予測し、核連鎖反応の可能性を開いた。1939年初頭に行われたその後の研究（そのうちの1つはシラードとフェルミによるもの）により、実際に核分裂中に複数の中性子が放出されることが明らかになり、シラードが6年前に構想した核連鎖反応が可能になった。
1939年8月2日、アルバート・アインシュタインは、フランクリン・D・ルーズベルト大統領宛ての書簡（シラードが執筆）に署名し、ウランの核分裂の発見が「極めて強力な新型爆弾」の開発につながる可能性を示唆し、原子炉と核分裂の研究に拍車をかけた。シラードとアインシュタインは親しい間柄で、数年前に共同研究を行ったこともあった。しかし、アインシュタインは、米国政府に警告するためにアインシュタイン＝シラード書簡を作成しようとした当初、シラードから核エネルギーの可能性について報告されるまで、この可能性を考えたことはなかった。
その直後、 1939年にナチス・ドイツがポーランドに侵攻し、ヨーロッパで第二次世界大戦が始まった。アメリカはまだ正式には参戦していなかったが、10月にアインシュタインとシラードの手紙がルーズベルト大統領に届けられた際、研究の目的は「ナチスに我々を爆破されないようにするため」だと述べた。その後、アメリカの核開発計画が始まったが、懐疑論（エンリコ・フェルミもその一人だった）が根強く残り、当初計画推進を任されていた少数の政府関係者の行動も鈍かったため、多少の遅れが生じた。
翌年、米国政府は英国からフリッシュ＝パイエルス覚書を受け取った。この覚書は、連鎖反応に必要なウランの量が、これまで考えられていたよりもはるかに少ないことを示していた。この覚書は、英国の原子爆弾開発計画（チューブアロイズ計画として知られ、後にマンハッタン計画に統合された）に取り組んでいたMAUD委員会によって作成されたものだった。
最終的に、最初の人工原子炉であるシカゴ・パイル1号機が、1942年後半にイタリアの物理学者エンリコ・フェルミ率いるチームによってシカゴ大学に建設された。この時までに、この計画は米国の参戦により1年間プレッシャーを受けていた。シカゴ・パイルは1942年12月2日午後3時25分に臨界に達した[ 5 ]。原子炉の支持構造は木製で、黒鉛ブロックの山（これが名前の由来）を支えており、その中に天然の酸化ウランの「擬似球」または「ブリケット」が埋め込まれていた。
1943年のシカゴ・パイルの直後、冶金研究所はマンハッタン計画のために多数の原子炉の開発を開始した。最大の原子炉（ワシントン州ハンフォード・サイトに設置）の主な目的は、核兵器用のプルトニウムを大量生産することであった。フェルミとシラードは1944年12月19日に原子炉の特許を申請したが、戦時中の機密保持のため、特許の発行は10年間遅れた。[ 39 ]
「世界初の原子力発電所」とは、現在アイダホ州アルコ近郊の博物館となっているEBR-Iの跡地にある看板に書かれている主張である。当初は「シカゴ・パイル4」と呼ばれ、アルゴンヌ国立研究所のためにウォルター・ジンの指揮の下で行われた。[ 40 ]米国原子力委員会が運営するこの実験的なLMFBRは、1951年12月20日の試験で0.8kW [ 41 ] 、翌日には100kW（電気）[42]を発電し、設計出力は200kW（電気）であった。
原子炉の軍事利用の他に、原子力エネルギーの民生利用を追求する政治的な理由もあった。ドワイト・アイゼンハワー米大統領は1953年12月8日、国連総会で有名な「平和のための原子力」演説を行った。この外交により、原子炉技術は米国の機関や世界中に普及した。[ 43 ]
民生目的で建設された最初の原子力発電所は、ソビエト連邦で1954年6月27日に稼働を開始したAM-1オブニンスク原子力発電所である。発電量は約5MWであった。この発電所は、ヨーロッパで初めて臨界に達した原子炉であるF-1（原子炉）に続いて建設されたもので、F-1もソビエト連邦によって建設された。
第二次世界大戦後、米軍は原子炉技術の新たな用途を模索した。陸軍の研究は、陸軍原子力発電計画の下、グリーンランドのキャンプ・センチュリーと南極のマクマード基地の発電所建設につながった。空軍の核爆撃機計画は、溶融塩原子炉実験へと発展した。米海軍は、 1955年1月17日に原子力潜水艦ノーチラス（SSN-571）を原子力で航行させることに成功した。
最初の商業用原子力発電所であるイギリスのセラフィールドにあるカルダーホールは、1956年に50MW（後に200MW）の初期容量で開設されました。[ 44 ] [ 45 ]
最初の可搬式原子炉「アルコ PM-2A」は、 1960年から1963年にかけてキャンプ・センチュリーの電力（2 MW）を生成するために使用された。[ 46 ]
商用発電用原子炉はすべて核分裂を原理としている。一般的にはウランとその生成物であるプルトニウムを核燃料として用いるが、トリウム燃料サイクルも可能である。核分裂炉は、核分裂連鎖反応を維持する中性子のエネルギーに応じて、大きく2つの種類に分類できる。
原理的には、水素の重水素同位体などの元素の核融合によって核融合発電が可能である。核融合発電は少なくとも1940年代から継続的に研究されてきたテーマであるが、いかなる目的であれ、自立的に稼働する核融合炉はこれまで建設されていない。
熱原子炉で使用されるもの：
2003年、フランス原子力庁（CEA）は、核工学ウィークで初めて「Gen II」型に言及した。[ 99 ]
「第3世代」という言葉が初めて言及されたのは2000年で、第4世代国際フォーラム（GIF）計画の立ち上げと同時期のことだった。
「Gen IV」は、新しい植物タイプの開発のため、2000年に米国エネルギー省（DOE）によって命名されました。[ 100 ]
12種類以上の先進原子炉設計が様々な開発段階にある。[ 111 ]それらの中には、上記のPWR、BWR、PHWR設計から進化したものもあれば、より根本的な変更を加えたものもある。前者には、現在 2 基が稼働中で、その他が建設中の先進沸騰水型原子炉(ABWR) や、計画中の受動的に安全な経済簡略化沸騰水型原子炉(ESBWR) およびAP1000ユニットが含まれる (原子力発電 2010 プログラムを参照)。
ロールス・ロイスは航空機用合成燃料製造のための原子炉の販売を目指している。[ 115 ]
第 4 世代原子炉は、理論上の原子炉設計の集合です。これらは一般的に 2040 ～ 2050 年以前には商業利用できないと予想されていますが[ 116 ] 、世界原子力協会は、一部は 2030 年より前に商業運転を開始する可能性があると示唆しています[ 98 ]。現在世界中で稼働している原子炉は一般的に第 2 世代または第 3 世代システムとみなされており、第 1 世代システムはしばらく前に廃止されています。これらの原子炉タイプの研究は、第 4 世代国際フォーラム (GIF) によって 8 つの技術目標に基づいて正式に開始されました。主な目標は、原子力の安全性の向上、核拡散抵抗性の向上、廃棄物と天然資源の使用の最小化、およびそのようなプラントの建設と運転のコストの削減でした[ 117 ] 。
第5世代原子炉は、理論的には実現可能であるものの、現時点では積極的に検討または研究されていない設計である。一部の第5世代原子炉は、現行または近い将来の技術で建設できる可能性はあるものの、経済性、実用性、安全性といった理由から、ほとんど関心を集めていない。
原理的には、制御された核融合は、アクチニド元素の取り扱いに伴う複雑さを伴わずに発電できる核融合発電所に利用できる可能性があるが、依然として重大な科学的・技術的障害が残っている。1950年代に研究が始まったにもかかわらず、商業用核融合炉は2050年以前には実現しない見込みである。現在、 ITERプロジェクトが核融合発電の実用化に向けた取り組みを主導している。
熱中性子炉は一般的に精製・濃縮ウランに依存している。一部の原子炉はプルトニウムとウランの混合物で運転できる（MOXを参照）。ウラン鉱石の採掘、加工、濃縮、使用、場合によっては再加工、廃棄までのプロセスは、核燃料サイクルとして知られている。
自然界に存在するウランのうち、核分裂しやすいウラン235は1%未満であるため、ほとんどの原子炉設計では濃縮燃料が必要となります。濃縮とは、ウラン235の含有率を高めることであり、通常は気体拡散法またはガス遠心分離法によって行われます。濃縮されたウランは二酸化ウラン粉末に変換され、これを圧縮してペレット状に成形します。これらのペレットはチューブに詰められ、密封されて燃料棒となります。各原子炉では、これらの燃料棒が多数使用されます。
ほとんどのBWRおよびPWR商用原子炉は、約4%のU-235に濃縮されたウランを使用しており、中性子経済性の高い一部の商用原子炉は、燃料を全く濃縮する必要がない（つまり、天然ウランを使用できる）。国際原子力機関によると、世界には少なくとも100基の研究用原子炉があり、高濃縮（兵器級/90%濃縮）ウランを燃料としている。この燃料の盗難リスク（核兵器の製造に使用される可能性がある）から、この種の原子炉を低濃縮ウラン（拡散の脅威が少ない）に転換することを提唱する運動が行われている。[ 120 ]
核分裂プロセスでは、核分裂性ウラン235と、核分裂性はないが核分裂性があり増殖性を持つウラン238の両方が使用されます。ウラン235は熱中性子（つまり、低速で移動する中性子）によって核分裂します。熱中性子は、周囲の原子とほぼ同じ速度で移動します。すべての原子は絶対温度に比例して振動するため、熱中性子がウラン235を核分裂させる可能性が最も高いのは、ウラン235と同じ振動速度で移動しているときです。一方、ウラン238は、中性子が非常に速く移動しているときに中性子を捕獲する可能性が高くなります。このウラン239原子はすぐにプルトニウム239に崩壊し、これも燃料となります。プルトニウム239は使用可能な燃料であり、高濃縮ウラン燃料を使用する場合でも考慮する必要があります。一部の原子炉では、特にウラン235の初期装荷量が消費された後、プルトニウムの核分裂がウラン235の核分裂よりも優勢になるだろう。プルトニウムは高速中性子と熱中性子の両方で核分裂を起こすため、原子炉にも核爆弾にも理想的な物質である。
現在存在する原子炉設計のほとんどは熱中性子炉であり、通常は中性子減速材（減速材とは中性子を熱中性子速度まで減速させる物質のこと）および冷却材として水を使用します。しかし、高速増殖炉では、中性子をあまり減速させない別の種類の冷却材が使用されます。これにより高速中性子が優勢になり、燃料供給を継続的に補充するために効果的に利用できます。このような炉心に安価な非濃縮ウランを入れるだけで、核分裂しないウラン238がプルトニウム239に変換され、「増殖」燃料となります。
トリウム燃料サイクルでは、トリウム232が高速炉または熱中性子炉で中性子を吸収します。トリウム233はベータ崩壊してプロトアクチニウム233になり、次にウラン233になり、これが燃料として使用されます。したがって、ウラン238と同様に、トリウム232は増殖性物質です。トリウム燃料サイクルは、ウランサイクルやMOXサイクルよりも核拡散に対する耐性が高いと考えられていますが、広く採用されていません。[ 121 ]
核燃料貯蔵庫に蓄えられたエネルギー量は、しばしば「全出力日数」で表されます。これは、原子炉が熱エネルギー発生のために全出力で運転される予定の24時間（日）の数です。原子炉の運転サイクル（燃料交換停止期間の間）における全出力日数は、サイクル開始時に燃料集合体に含まれる核分裂性ウラン235（U-235）の量に関係しています。サイクル開始時に炉心内のU-235の割合が高いほど、原子炉をより多くの全出力日数で運転することが可能になります。
運転サイクルの終わりに、一部の燃料集合体の燃料は、原子炉内で4～6年間発電した後、「使用済み」となります。この使用済み燃料は排出され、新しい（新鮮な）燃料集合体と交換されます。これらの燃料集合体は「使用済み」とみなされますが、実際には大量の燃料を含んでいます。実際には、原子炉内の核燃料の寿命は経済性によって決まります。すべての核分裂が起こるずっと前に、原子炉は100%（最大出力）を維持できなくなり、そのため、発電所の出力が低下するにつれて電力会社の収入も減少します。ほとんどの原子力発電所は、主に規制コストなどの運転経費のために非常に低い利益率で運転されているため、100%未満の出力で長期間運転することは経済的に成り立ちません。燃料交換時に交換される原子炉の燃料炉心の割合は通常3分の1ですが、燃料交換の間隔によって異なります。発電所は通常、18か月または24か月の燃料交換サイクルで運転されます。これはつまり、燃料の3分の1を交換するだけの1回の燃料交換で、原子炉をほぼ2年間フル稼働させることができるということだ。
使用済み核燃料の処分と保管は、商業用原子力発電所の運転において最も困難な側面の 1 つです。この核廃棄物は放射能が非常に高く、その毒性は何千年にもわたって危険をもたらします。[ 94 ]原子炉から排出された使用済み核燃料は、敷地内の使用済み燃料プールに移送されます。使用済み燃料プールは、使用済み核燃料の冷却と遮蔽を行い、敷地内の作業員の放射線被ばくを制限する大きな水のプールです。エネルギーがいくらか減衰すると (約 5 年)、燃料は燃料プールから乾燥遮蔽キャスクに移送され、何千年にもわたって安全に保管できます。乾燥遮蔽キャスクに装填された後、キャスクは敷地内の特別に警備された施設内の不浸透性コンクリートバンカーに保管されます。敷地内の燃料貯蔵施設は、使用済み燃料にほとんど損傷を与えずに、民間航空機の衝突に耐えられるように設計されています。平均的な敷地内の燃料貯蔵施設は、サッカー場よりも小さいスペースに 30 年分の使用済み燃料を保管できます。
すべての原子炉が燃料交換のために停止する必要はありません。例えば、ペブルベッド型原子炉、RBMK型原子炉、溶融塩型原子炉、マグノックス炉、AGR型原子炉、CANDU型原子炉では、運転中に燃料を原子炉内で移動させることができます。CANDU型原子炉では、これにより、燃料要素に含まれるウラン235の量に最適な燃料要素を原子炉炉心内に配置することも可能です。
核燃料から抽出されるエネルギー量を燃焼度と呼び、これは燃料の初期重量単位当たりに発生する熱エネルギーで表されます。燃焼度は一般的に、初期重金属1トン当たりのメガワット日熱量で表されます。
原子力安全とは、原子力および放射線事故やインシデントを防止するため、またはそれらの影響を制限するために講じられる措置を指します。原子力発電業界は原子炉の安全性と性能を向上させ、より安全な（ただし一般的には未試験の）新しい原子炉設計を提案してきました。原子炉が正しく設計、建設、運転されるという保証はありません。[ 122 ]ミスは起こり得ます。日本の福島第一原発の原子炉の設計者は、NRGと日本の原子力安全庁による度重なる警告にもかかわらず、地震によって発生した津波が、地震後に原子炉を安定させるはずだったバックアップシステムを機能停止させることを予期していませんでした。 [ 123 ] UBS AGによると、福島第一原発事故は、日本のような先進経済国でさえ原子力安全を完全に管理できるかどうかという疑問を投げかけています。[ 124 ]テロ攻撃を伴う壊滅的なシナリオも考えられます。[ 122 ] MITの学際的なチームは、2005年から2055年までの原子力発電の予想される成長を考慮すると、その期間に少なくとも4件の重大な原子力事故が発生すると予測している。[ 125 ]
深刻ではあるものの稀な原子力および放射線事故が発生している。これらには、ウィンドスケール火災（1957年10月）、SL-1事故（1961年）、スリーマイル島事故（1979年）、チェルノブイリ原発事故（1986年4月）、福島第一原発事故（2011年3月）が含まれる。[ 127 ]原子力潜水艦の事故には、 K-19原子炉事故（1961年）[ 128 ] 、 K -27原子炉事故（1968年）[ 129 ]、K-431原子炉事故（1985年） [ 127 ]が含まれる。
原子炉は少なくとも34回地球軌道に打ち上げられている。無人原子炉搭載のソ連製RORSATに関連した事故がいくつか発生しており、特にコスモス954レーダー衛星では、核燃料が軌道上から地球の大気圏に再突入し、カナダ北部に飛散するという事態が発生した（1978年1月）。
約20億年前、西アフリカのガボンにある現在のオクロとして知られる地域で、一連の自己持続的な核分裂「原子炉」が自然に形成されました。その場所と時代の条件により、人工の原子炉の条件と似た状況で自然の核分裂が起こりました。 [ 130 ]ガボンのオクロウラン鉱山の3つの異なる鉱床で、これまでに15の化石化した天然核分裂原子炉が発見されています。1972年にフランスの物理学者フランシス・ペランによって最初に発見されたこれらの化石化した原子炉は、まとめてオクロ化石原子炉として知られています。これらの原子炉では約15億年前に自己持続的な核分裂反応が起こり、数十万年にわたって稼働し、その間平均100kWの出力がありました。[ 131 ]自然原子炉の概念は、1956年にアーカンソー大学のポール・クロダによって理論的に提唱された。[ 132 ] [ 133 ]
現在の地質時代において、地球上にそのような原子炉が形成されることはもはや不可能である。かつてはより豊富に存在していたウラン235が数億年の間に放射性崩壊を起こし、この天然に存在する核分裂性同位体の割合は、減速材として水のみを用いた連鎖反応を維持するのに必要な量以下に減少した。
天然の原子炉は、ウランを豊富に含む鉱床が中性子減速材として作用する地下水に浸水し、強力な連鎖反応が起こった際に形成された。反応が進むにつれて水減速材は蒸発し、反応速度を再び低下させてメルトダウンを防いだ。核分裂反応は何十万年もの間持続し、数時間から数日の周期で繰り返された。
これらの天然原子炉は、地層放射性廃棄物処分に関心を持つ科学者によって広く研究されている。これらは、放射性同位体が地殻内をどのように移動するかを示す事例研究となる。地層処分に反対する人々は、貯蔵された廃棄物から放出された同位体が水源に混入したり、環境中に拡散したりするのではないかと懸念しており、これは大きな論争の的となっている。
原子炉は通常の運転過程でトリチウムを生成し、それは最終的に微量ながら環境中に放出される。
水素の同位体であるトリチウム（T）は、酸素と結合してT₂Oを形成することが多い。この分子は化学的にはH₂Oと同一であるため、無色無臭である。しかし、水素原子核の余分な中性子により、トリチウムは半減期12.3年のベータ崩壊を起こす。測定可能であるにもかかわらず、原子力発電所から放出されるトリチウムはごくわずかである。米国原子力規制委員会（NRC）は、トリチウムを含む水が大量に流出したと考えられる井戸から1年間水を飲んだ人が受ける放射線量は0.3ミリレムと推定している。[ 134 ]比較のために言うと、これはワシントンDCからロサンゼルスへの往復フライトで人が受ける4ミリレムよりも1桁小さい。これは、高高度では高エネルギー宇宙線に対する大気の保護が少ないためである。[ 134 ]
原子力発電所が通常運転中に放出するストロンチウム90の量は、自然のバックグラウンド放射線量を超えると検出不可能である。地下水や一般環境で検出可能なストロンチウム90は、20世紀半ばに行われた兵器実験（環境中のストロンチウム90の99%を占める）とチェルノブイリ事故（残りの1%を占める）に由来する。[ 135 ]