液体金属冷却炉

液体金属冷却炉：高い効率と潜在能力、そして課題

液体金属冷却炉は、その名のとおり、原子炉の冷却材として液体金属を使用する原子炉です。水などの従来の冷却材と比較して、液体金属は高密度で冷却効率が高いため、非常に高い電力密度を実現できます。この特性は、サイズや重量が重要な制約となる船舶や潜水艦といった用途で特に注目され、実際に原子力潜水艦での実用化に成功しています。

水冷却炉では、水の沸点を高めるために高圧化が必要となり、安全面や維持管理に課題がありました。しかし、液体金属冷却炉では加圧が不要なため、こうした問題点を回避できます。さらに、液体金属は高温に耐えられるため、水冷却炉よりも高温の蒸気を発生させることが可能です。これにより熱効率が向上し、従来型原子炉よりも高い出力が得られます。

液体金属の高い導電率を利用して電磁ポンプで循環させることも可能です。しかしながら、液体金属冷却炉はいくつかの課題も抱えています。まず、液体金属は不透明であるため、内部の検査や修理が困難です。また、使用する金属の種類によっては、発火の危険性（特にアルカリ金属の場合）や、腐食性、放射化による生成物が問題となります。これらの課題克服のため、更なる研究開発が求められています。

設計と冷却材の選定

現在実用化されている液体金属冷却炉は、全て高速炉です。その多くは高速増殖炉や、海軍艦艇用の推進炉として運用されています。これは、液体金属が熱伝導率に優れ、小さな設置面積で多くの熱を発生させる高速炉に適しているためです。

高速炉では、中性子経済の良さが特に重要になります。中性子の吸収が少ない冷却材が望ましく、液体金属は中性子減速能が低いため、この点でも適しています。また、冷却材が原子炉構造材を腐食させないことも重要であり、融点と沸点が原子炉の運転温度に見合った範囲にあることも求められます。

冷却材の沸騰は冷却材喪失事故（LOCA）につながる恐れがあるため、沸騰しない冷却材が理想的です。そのため、原子炉と熱交換器全体を冷却水プールに納める、内部ループ冷却の喪失危険性を排除する設計も採用されています。

様々な液体金属冷却材

様々な金属が冷却材として検討されてきました。

水銀: 最初の液体金属冷却炉では水銀が使用されましたが、毒性、高い蒸気圧、低い熱伝導率、大きな中性子吸収断面積などの欠点から、研究は下火になりました。

ナトリウムおよびナトリウムカリウム合金: ナトリウムやナトリウムカリウム合金（NaK合金）は、鉄に対する腐食性が低く、様々な核燃料が利用できるという利点があります。しかし、空気や水と激しく反応するため、発火や水素ガス発生の危険性があります（日本の「もんじゅ」での事故も記憶に新しいです）。また、放射化したナトリウム（Na-24）は高い線量を有し、運転中の点検・修理を困難にします。ただし、Na-24の半減期は約15時間と短いため、廃棄物処理の問題は少ないです。

鉛: 鉛は中性子を反射し、ガンマ線をよく遮蔽するという優れた特性を持ちます。また、沸点が高いため、高温時でも炉心を効率よく冷却できます。しかし、融点と蒸気圧が高く、燃料交換や点検・修理が困難です。鉛ビスマス共晶合金は多くの金属に対して腐食性を示しますが、酸素含有量の調整で腐食を大幅に減らすことが可能です。ソ連では原子力潜水艦で使用実績があります。

ビスマス: ビスマスは中性子破砕ターゲットとしても有効であり、加速器駆動未臨界炉への応用が期待されています。核融合炉では、リチウム鉛合金がトリチウム生成燃料として検討されています。

スズ: スズは通常の水冷炉では酸化皮膜を形成するため使用されていませんが、事故時の冷却材追加・交換には有利です。高い融点と被膜形成の性質は、事故時に放射性物質の漏れを防ぐ効果が期待できます。ウクライナの研究者によって実験が行われ、福島第一原子力発電所事故の際にも代替冷却材として提案されました。

アルミニウム: 高い沸点と軽量さを持ち、アメリカ空軍工科大学で検討されたことがあります。構造材としては、窒化アルミニウムが2000℃近い高温でも利用できます。

推進用途と発電用途

液体金属冷却炉は、潜水艦や原子力航空機の推進システムとして研究されてきました。ソ連の原子力潜水艦には鉛ビスマス合金冷却炉が搭載され、アメリカ海軍のシーウルフ(SSN-575)はナトリウム冷却炉を搭載していましたが、後に加圧水型炉に交換されています。原子力航空機への応用も検討されていましたが、実用化には至っていません。

発電用途では、いくつかの実験炉や原型炉が運転されてきました。しかし、いくつかの事故や課題もあり、商業的な大規模な発電への導入は限定的です。現在、第4世代[原子炉]]として、ナトリウム冷却高速炉]や[鉛冷却高速炉]の研究開発が進められています。[液体金属冷却炉と溶融塩原子炉を組み合わせた二流体系原子炉]も検討されています。[[液体金属冷却炉は、その高い効率性と潜在能力を活かしつつ、安全性と信頼性の向上を目指した研究開発が継続されています。

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