原子炉とはウランやプルトニウムといった核燃料となる物質、核分裂性物質の核分裂連鎖反応を安定的に持続させるためのシステムです。核分裂性物質の原子核に中性子が当たると一定の確率で核分裂を引き起こします。そしてその核分裂の際に新たな中性子が2個から3個同時に放出され、この中性子がさらに次の核分裂を引き起こすという連鎖反応を維持します。
この状態を「臨界」と呼び、原子炉では核分裂が一定して連鎖するよう、臨界を制御できる構造になっています。原子炉と一口に言っても様々な種類があります。現在、世界の原子力発電所で最も多く利用されている原子炉は軽水炉(LWR)と呼ばれるタイプのものです。沸騰水型軽水炉(BWR)と加圧水型軽水炉(PWR)の二種類があり、普通の水である軽水を原子炉を冷やすための冷却材として利用し、また核分裂連鎖反応を起こしやすくする減速材としても利用するタイプの原子炉です。
減速材は中性子の運動エネルギーを遅くするためのものです。核分裂で生まれた中性子はそのままの状態ですと速度が速く、大きな運動エネルギーを持った状態にあります。中性子はその速度が速すぎると、池に向かって思いっきり投げた小石のように原子核に当たっても吸収されにくく、結果として核分裂を起こす確率が低くなります。そのためほとんどの原子炉では減速材を用いて中性子の速度を落とし、核分裂が起きやすくしているのです。
このように速度を落とした中性子の事を熱中性子と呼び、この熱中性子を利用する原子炉は熱中性子炉と呼ばれます。 軽水炉で冷却材と減速材を兼ねて利用される軽水は身近な普通の水であるためコストも安いのですが、軽水はそれ自身が中性子を吸収し、捕獲してしまう(食いつぶしてしまう)吸収断面積が比較的大きくあります。
つまり核分裂を効率よく引き起こすためにある減速材ですが、その減速材自身が核分裂の連鎖反応に必要な中性子を吸収してしまうということです。そのため、核燃料であるウラン235の含有率が0.7パーセント程度の「天然ウラン」では臨界を実現するのは難しいため、その割合を3パーセント程度まで増やした「低濃縮ウラン」が利用されています。こうすることで容積あたりの核分裂性物質の割合が増え、中性子が核分裂性物質の原子核に当たりやすくなり、臨界を維持できます。
また、軽水炉の他にも重水や黒鉛(グラファイト)を減速材に用いる重水炉(HWR)や黒鉛炉(GMR)といった原子炉があります。重水や黒鉛は、軽水よりも中性子を吸収してしまう確率が低いため、核燃料を濃縮せずとも天然ウランのまま利用できるという特徴があります。これらの熱中性子炉が減速材を用いて中性子を減速し、臨界を維持しているのに対して中性子を減速させずに核分裂で生じた高速中性子をそのまま利用する原子炉の事を高速中性子炉、高速炉(FR)と呼びます。
さらにこの高速炉のうち、核燃料を使った量以上に増やすこと、つまり増殖ができる原子炉の事を高速増殖炉(FBR)と呼びます。高速炉(FR)と高速増殖炉(FBR)の違いは核燃料の増殖を目的としているかどうか、ということになります。高速中性子を使う事により、核燃料として利用されるプルトニウムが核分裂する確率よりも、ウランからプルトニウムが作られる確率の方が大きくなります。
これが増殖であり、使った以上の燃料を生産することができるのです。さらに高速炉においてはこうした燃料の生産以外にも様々な利点が存在します。減速材を用いない高速増殖炉では核燃料の間隔が狭くなり、容積あたりの出力は熱中性子炉よりも大きくなります。そのため原子炉で生じた熱を冷却し、輸送するためにはこれまでの水では冷却能力に限界があり、また水自体が中性子を減速させてしまうため高速増殖炉の冷却材として利用するのは難しくあります。そのため、水よりも冷却能力に優れ、中性子を減速させづらいナトリウムや鉛、ビスマス、リチウムといった液体金属が利用されます。