水性均質炉

水性均質炉：安全で多様な用途を持つ原子炉

水性均質炉とは、核分裂性物質の塩（通常は硝酸ウラニルや硫酸ウラニル）を水に溶解させた燃料を使用する原子炉です。燃料が冷却材・減速材である水と均質に混ざっていることが、この名称の由来となっています。使用される水は軽水でも重水でも可能ですが、高い純度が求められます。

重水と硫酸ウラニルを用いた水性均質炉は、天然ウランでも臨界状態を達成できるため、ウラン濃縮は不要です。軽水型でも、少量のプルトニウム239やウラン233で運用が可能です。

際立つ安全性と自己制御性

水性均質炉の大きな特徴は、その高い自己制御性と反応度急増への対応能力です。1940年代後半、アメリカのアトミックス・インターナショナル社が行った実験では、制御棒を数ミリ秒で引き抜いても、出力は100Wから1MW程度に上昇するにとどまり、問題は発生しませんでした。これは、水性均質炉の高い安全性を示す証拠と言えるでしょう。現在でも、日本原子力研究開発機構などが、水性均質炉を用いた過渡臨界実験装置を運用し、安全性の研究を継続しています。

ウォーターボイラー型原子炉

水性均質炉は、内部の水が沸騰しているように見えることから「ウォーターボイラー型原子炉」と呼ばれることもあります。しかし、この泡は放射線や核分裂片による水の放射線分解によって生じた水素と酸素の泡であり、実際には沸騰しているわけではありません。

高い自己制御性と容易な管理性から、水性均質炉は研究炉として広く利用されてきましたが、現在運用されているものは多くありません。これは、硫酸溶液を用いた炉では腐食の問題が課題となるためです。硝酸系の溶液であればステンレス鋼に対する腐食性は低いものの、硫酸溶液を用いる場合は、トリウムによるウラン233増殖炉に限られます。

歴史：初期の原子炉開発とその後

水性均質炉の研究は、第二次世界大戦末期に始まりました。当時、化学者たちは不均質炉の固体燃料からの核分裂生成物の除去に苦労していました。そこで、液体燃料を用いた原子炉が注目されたのです。しかし、液体燃料による気泡の発生や腐食の問題が設計上の課題となりました。

エンリコ・フェルミは、ロスアラモス国立研究所で世界初の均質液体燃料原子炉の建設を提案しました。初期の炉は「ウォーターボイラー」と呼ばれ、低出力（LOPO）、高出力（HYPO）、さらに高出力（SUPO）へと改良を重ね、中性子測定や同位体生産など様々な用途に利用されました。これらの炉は、ウラン235濃縮燃料を使用していました。

1952年には、フッ化ウラニルを重水に溶解した臨界実験もロスアラモスで行われ、原子炉設計の改良に役立てられました。

オークリッジ国立研究所では、1952年に最初の水性均質炉が臨界に達し、1953年には設計出力の1メガワットに到達しました。さらに、原子炉からの蒸気を使って発電に成功しましたが、その後アメリカ原子力委員会は軽水炉開発に注力し、水性均質炉の開発は続けられませんでした。

ARGUS炉と医療用同位体生産

ソビエト連邦（現ロシア）のクルチャトフ研究所では、小型の水性均質炉であるARGUS炉が開発され、放射性同位体の生産に利用されています。この炉は、高い効率と安全性を誇り、ストロンチウム89やモリブデン99などの生産に成功しています。特に、ARGUS炉で生産されたモリブデン99は高純度であることが特徴で、医療用同位体テクネチウム99mの原料として有用です。

近年、医療用同位体を直接燃料から抽出できる水性均質炉への関心が再び高まっています。バブコック・アンド・ウィルコックス社は、水性均質炉をテクネチウム99m生産炉として提案しています。

その他の研究

水性均質炉は、医療用同位体生産以外にも、水素製造やプロセス熱生産、研究・訓練など、多様な用途への応用が研究されています。過去には、水の放射線分解による水素製造とプロセス熱生産の同時実施などが試みられています。また、アトミックス・インターナショナル社は、様々な出力の水性均質炉を設計・製造し、世界中の研究機関に提供しました。

水性均質炉は、その高い安全性と多様な可能性から、今後も研究開発が続けられることが期待されます。

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