1. 核分裂反応

軽水炉の熱源は、ウラン235の核分裂反応である。

熱中性子の吸収

ウラン235は、自然界に存在するウラン同位体のうち約0.7%を占める核種であり、核分裂性物質としての特異な性質を持っています。反応のプロセスは外部からの熱中性子の衝突と吸収から始まります。熱中性子とは、周囲の物質と熱平衡状態に達するまで十分に減速された、極めて低い運動エネルギー（約0.025 eV）を持つ中性子を指します。

核分裂

中性子を吸収したウラン235は崩壊を起こします。この結果、原子核は主に質量の異なる2つのより軽い原子核（核分裂生成物）へと分裂します。分裂のパターンは多様ですが、代表的な反応例としてクリプトン92とバリウム141に分裂するケースが挙げられます。

エネルギーの放出

この核分裂プロセスにおいて最も重要なのが、莫大なエネルギーの放出です。ウラン235が1個分裂する際に放出されるエネルギーは、約200MeVに達します。このエネルギーは、質量欠損により発生したエネルギーです。反応前のウラン235と中性子の質量の合計と、反応後に生成された核分裂生成物および中性子の質量の合計を比較すると、反応後の方がごくわずかに質量が減少しています。

この失われた質量が、アインシュタインの特殊相対性理論に基づく質量とエネルギーの等価性の公式に従って、膨大なエネルギーへと変換されるのです。

連鎖反応

核分裂に伴い、平均して2〜3個の高速中性子が新たに放出されます。この新たに発生した中性子が別のウラン235の原子核に吸収されれば、次なる核分裂を引き起こすことができます。これが連続して生じるプロセスを連鎖反応と呼びます。

原子炉において安定した出力を得るためには、1回の核分裂で放出された複数個の中性子のうち、1個だけが次の核分裂を引き起こす状態を維持する必要があります。残りの中性子は、ウラン238などの他の物質に吸収されるか、あるいは炉外へ漏出します。

ただし、新しく放出された中性子は約2MeVという高い運動エネルギーを持つ高速中性子です。高速中性子はウラン235の原子核を通過してしまいやすく、核分裂を引き起こす確率（核分裂断面積）が極めて低いため、水や黒鉛などの「減速材」を用いて、ウラン235に吸収されやすい熱中性子の速度まで減速させる工夫が必要となります。

2. 軽水炉における「水」の二重の役割

軽水炉の特徴は「水（軽水）」の存在である。炉内を満たす水は、以下の2つの重要な役割を担っている。

減速材

核分裂に伴って放出される高速中性子は、極めて高い運動エネルギーを有している。この状態の中性子はウラン235の原子核を通過しやすく、核分裂反応を誘起する確率（反応断面積）が著しく低い。連鎖反応を持続させるためには、中性子の速度を適切なレベルまで低下させる必要がある。

ここで減速材として機能するのが水である。水の構成要素である水素の原子核は中性子とほぼ同等の質量を持つため、弾性散乱によって中性子の運動エネルギーを効率的に奪うことができる。高速中性子は水分子との衝突を繰り返すことで熱中性子へと減速され、ウラン235による吸収確率が飛躍的に高まる。

冷却材としての熱輸送

もう一つの役割は冷却材である。核分裂反応によって燃料棒内に生じた莫大な熱エネルギーを奪い、炉心から系外へと輸送する。この熱輸送プロセスを経て水は蒸気となり、タービンを駆動する動力源へと変換される。

3. 「水（軽水）」の特性

本炉型において採用されている「軽水」とは、自然界に存在する一般的な水（H2O）を指す。同位体である重水 （D2O）を用いる重水炉と区別するために軽水と呼称される。

軽水は化学的に安定しており、経済性や取り扱いの容易さにおいて極めて優れている。しかし、物理的特性として中性子を一定の割合で吸収してしまうという欠点を持つ。天然ウランには核分裂性のウラン235が約0.7%しか含まれていないため、天然ウランと軽水を組み合わせた場合、中性子がウラン235の核分裂に寄与する前に軽水に吸収されてしまい、臨界に達することができない。

この制約を克服するため、軽水炉ではウラン235の割合を3〜5%程度まで人為的に高めた「低濃縮ウラン」を燃料として使用している。

4. 軽水炉の設計

軽水炉の設計思想は、熱エネルギーから蒸気を生成するプロセスの違いにより、沸騰水型と加圧水型の2種類に大別される。

沸騰水型（BWR）

沸騰水型（BWR）の最大の特徴は、原子炉圧力容器の内部で冷却水を直接沸騰させ、発生した蒸気をそのままタービンへ送り込んで発電機を回す直接サイクルを採用している点にあります。熱交換器を介さないため、一次冷却系の構造が比較的単純であり、熱損失を抑えて高い熱効率を得ることができます。圧力容器内で加熱された水と蒸気の混合流体は、容器上部の気水分離器および蒸気乾燥器を通過して液滴が除去され、乾燥した蒸気となってタービンへ導かれます。仕事を終えた蒸気は復水器で冷却されて水に戻り、給水ポンプで再び圧力容器内へ循環するというサイクルを形成しています。

この炉型において重要な挙動は、ボイドと呼ばれる蒸気の気泡が原子炉の出力制御に重要な役割を果たしていることです。核分裂を継続するためには、ウランが放出した高速中性子を水分子に衝突させて減速させ、熱中性子にする必要があります。水が沸騰して気泡になると液体の状態に比べて密度が低下するため、中性子を減速させる能力が落ちます。結果として核分裂反応が抑制されるという現象が生じます。これを負のボイド反応度係数と呼び、出力が異常上昇して温度が上がると自動的に出力が下がるという、自己制御性をもたらしています。

この特性を利用しているのが、再循環ポンプによる出力制御です。圧力容器内の冷却水の循環量をポンプで増加させると、炉心内の気泡が素早く押し流されて気泡の割合が減少し、核分裂反応が活発になって出力が上昇します。逆に循環量を減らすと気泡の割合が増えて出力が低下します。これにより、制御棒を動かすことなく冷却水の流量変化だけで迅速に原子炉の出力を調整することが可能となっています。なお圧力容器の上部には気水分離器などの機器が密集しているため、制御棒は容器の下部から上に向かって挿入される構造が採用されています。

また、安全性を担保する格納容器は圧力抑制型と呼ばれる独特の構造を持っています。これは原子炉を囲むドライウェルと、大量の水を蓄えた圧力抑制室から構成されます。万が一配管が破断して高温高圧の蒸気がドライウェル内に噴出した場合、その蒸気を巨大なパイプを通じて圧力抑制室の水中に導き、急速に冷却して凝縮させます。気体が液体に戻ることで体積が激減し、格納容器内の圧力上昇を抑え込む構造になっています。

加圧水型（PWR）

加圧水型（PWR）の沸騰水型との決定的な違いは、原子炉圧力容器内で冷却水を沸騰させず、液体の状態を保ったまま熱エネルギーを輸送する間接サイクルを採用している点にあります。このシステムは、一次冷却系と二次冷却系という完全に独立した二つの閉ループによって構成されています。

一次冷却系では、原子炉圧力容器内の炉心を通過する冷却水が、加圧器と呼ばれる機器によって約150気圧という極めて高い圧力で加圧されています。圧力が上昇すると液体の沸点は上昇します。このため、炉心で発生する熱によって一次冷却水は摂氏300度を超える高温に達しても沸騰することなく、高温高圧の液体の状態を維持します。この高温高圧の水は蒸気発生器と呼ばれる巨大な熱交換器へと送られます。蒸気発生器の内部には無数の細い伝熱管が配置されており、一次冷却水はこの管の内側を通過します。一方、伝熱管の外側には二次冷却系の水が満たされており、一次冷却水の持つ熱エネルギーが管壁を通じて二次冷却水へと伝達されます。二次冷却系は一次冷却系よりも圧力が低く設定されているため、熱を受け取った二次冷却水は沸騰して大量の蒸気を発生させます。この放射性物質から隔離された清浄な蒸気がタービンへ送られて発電機を回し、復水器で冷却されて水に戻り、給水ポンプで再び蒸気発生器へと循環します。

この間接サイクルの利点は、放射性物質を含む一次冷却水が原子炉と蒸気発生器のループ内に完全に封じ込められていることです。タービンや復水器などの二次冷却系の機器には放射性物質が到達しないため、発電所におけるメンテナンス時の安全性が高まり、タービン建屋の厳重な放射線遮蔽も不要となります。また、出力制御のメカニズムも独特です。制御棒の挿入に加え、一次冷却水に中性子を吸収する物質であるホウ素を溶かし込み、その濃度を変化させるケミカルシンムという手法を併用します。長期的な燃料の燃焼に伴う出力変化をホウ素濃度で滑らかに調整し、制御棒は主に起動や停止、あるいは急激な出力変動の際にのみ使用されます。沸騰水型原子炉のように炉心内で気泡が生成および消滅することによる急激な反応度変化が存在しないため、炉心全体の中性子分布と熱的挙動は極めて安定的です。

5. 固有の安全性

軽水炉の工学的価値は、効率的な発電能力のみならず、物理法則に根ざした「自己制御性」と呼ばれる安全機構を内包している点にある。これは、外部からの制御入力がなくとも、出力の異常上昇に対して自動的に負の反応度が付加されるメカニズムである。

ボイド効果（気泡による減速材密度の低下）

炉内の出力が想定を超えて上昇した場合、冷却水の温度が上昇し、沸騰による気泡すなわちボイドの発生量が増加する。ボイドの増加は、減速材である水の実質的な密度低下を意味する。結果として高速中性子が十分に熱中性子化されなくなり、ウラン235による中性子吸収確率が低下する。これにより核分裂の連鎖反応が自動的に抑制され、出力が低下に向かう。

ドップラー効果（燃料温度上昇に伴う中性子吸収の増大）

燃料ペレット自体の温度が上昇すると、ウラン原子核の熱運動が激しくなる。この物理的変化により、燃料内に95%以上含まれる非核分裂性のウラン238が、特定のエネルギー帯域を持つ中性子を吸収しやすくなる現象が生じる。これを共鳴吸収効果またはドップラー効果と呼ぶ。ウラン238が中性子を吸収することで、核分裂に寄与する中性子数が減少し、連鎖反応が抑制される。