鉛冷却高速炉

鉛冷却高速炉（LFR）の概要

鉛冷却高速炉（Lead-cooled Fast Reactor, LFR）とは、原子炉の冷却材として液体鉛または鉛ビスマス合金を使用する、減速材を持たない高速炉です。高い安全性と燃料増殖の可能性から、次世代原子炉として期待されています。第4世代原子炉の炉型の一つにも選定されており、世界各国で研究開発が進められています。

鉛冷却高速炉のメリット

LFRの大きな利点は、以下のとおりです。

優れた中性子経済: 鉛や鉛ビスマス合金は中性子をあまり吸収しないため、中性子経済に優れ、燃料増殖が可能になります。これは、ウラン資源の有効利用に繋がり、原子力エネルギーの持続可能性を高めます。
高沸点: 水冷炉と異なり、高圧を維持する必要がありません。そのため、原子炉の設計・運用が簡素化され、安全性の向上に繋がります。
高い熱伝導率: 優れた熱伝導率により、効率的な除熱が可能です。これにより、原子炉の運転安定性と安全性が高まります。
負のボイド係数: 冷却材が沸騰しても、原子炉出力は低下する傾向があります。この負のボイド係数は、原子炉の安全性に大きく貢献します。
高い安全性: 鉛や鉛ビスマス合金は酸素や水との反応性が低いため、冷却材漏洩時の安全性も高く、直接水と接触させて蒸気発生させることも考えられています。

鉛冷却高速炉のデメリット

一方、LFRには以下の課題も存在します。

大型化: 冷却材である鉛の比重が大きいため、原子炉は大型化し、設計・建設が複雑になります。
材料腐食: 特に鉛ビスマス合金を使用する場合、配管の腐食が問題となります。腐食に強い材料の開発・選定が不可欠です。
メンテナンス性: 冷却材が不透明なため、燃料交換などのメンテナンス作業が困難です。遠隔操作技術の高度化が求められます。
冷却材の予熱: 原子炉停止時には、冷却材が固化しないように予熱を続ける必要があります。これは、運転コスト増加や技術的な課題となります。
放射化: 鉛やビスマスは中性子照射により放射化します。特にビスマスは、半減期が比較的長いポロニウム210を生成するため、メンテナンス作業の難易度が高まります。

各国の開発状況

LFRの開発は、世界各国で進められています。

ロシア: 1991年頃には、鉛ビスマス共晶合金を用いたSVBR-75/100を開発し、原子力潜水艦に搭載していました。鉛のみを使用するBREST-300の設計も完了しています。
日本: 東京工業大学などで研究が進められており、ロシアとの共同研究も行われてきました。ナトリウム冷却[[高速炉]]「もんじゅ」の開発停止を機に、LFR開発への関心が強まっています。2004年頃には、鉛のみを使用するLCFRの開発が始まりました。
* アメリカ: ウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーは、米国エネルギー省と共同で鉛冷却高速炉の開発を提案しています。小型で長サイクル運転が可能な「ハイペリオン・パワー・モジュール」の設計も進められています。

鉛リチウム合金

核融合炉のブランケット冷却材として、鉛リチウム合金が提案されています。リチウムは中性子を吸収してトリチウムを生成する役割を担い、鉛はリチウムの化学的活性を抑制します。また、鉛は中性子増倍効果も期待できます。ただし、腐食性の抑制のため高純度の材料が必要となります。

将来展望

LFRは、高い安全性と燃料増殖の可能性を秘めた次世代原子炉です。しかし、材料開発やメンテナンス性の課題克服が今後の開発の鍵となります。これらの課題が解決されれば、LFRは持続可能な原子力エネルギー社会の実現に大きく貢献する可能性を秘めています。今後、国際的な協力体制を構築し、研究開発を加速させることが重要です。 加速器駆動未臨界炉においては、ビスマスが核破砕反応ターゲットになり得ると期待されています。

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