高温ガス炉では950℃のヘリウムを作ります。熱の発生の原理は単純で、臨界状態の放射性物質の核反応による発熱です。ウラン235など一部の放射性物質は、原子核分裂を起こすときに高速の中性子を出します。高速中性子はウラン235との反応性が低いですが、減速材で速度を落としてあげると別のウラン235にぶつかったときに核分裂を引き起こします。これが連鎖反応です。連鎖反応が過激に起こると原子爆弾になってしまいますが、ウラン238等核反応しない物質で適度に薄めた核燃料では制御された発熱ができます。
中性子の減速と遮蔽が制御には重要で、中性子を吸収する物質（ホウ素、カドミウム等の化合物）でできた制御棒を入れて中性子を遮ることで反応を抑えることができます。このあたりは同じ物質（例えば水）でも減速と遮蔽（吸収）の両方の作用があるので複雑です。
さて、950℃の熱を何に使うかというと、日本は水を分解して水素を作ろうとしています。
反応には硫黄-ヨウ素サイクルを使います。https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur%E2%80%93iodine_cycle
(1) I2+SO2+H2O → 2HI+H2SO4 @120℃
右辺のHIを蒸留か比重により分離します。残った硫酸を(2)の反応で熱分解します。
(2) 2H2SO4 → 2SO2+2H2O+O2 @830℃ これは、左辺が2モル、右辺が5モルなのでエントロピー生成量が大きいため高温で有利です。
低温にすると、O2のみ気体にできるので分離できます。
(3) 2HI → I2 + H2 @450℃ これはHIの生成エンタルピーが小さいので可能なのでしょう。H2が気体として分離できます。
この3つの反応を組み合わせると
(4) 2H2O → 2H2 + O2
となり、水から水素がつくれます。
(4)の反応をいきなり行おうとするとかなり大変です。ΔG=ΔH-TΔSで、室温でΔH=286kJ/molです。
H2O→H2+0.5O2では分子数が0.5 molだけ増えるので、エントロピーが二原子分子1モル分の5/2R[Jmol^-1K^-1] × 0.5mol = 5/4R = 10.4 [J/K]だけ生じます（＝ΔS）。
T=950℃＝1223K だとTΔS=13 kJ/molなのでΔGはあまり下がりません。ボルツマン分布を考えても、exp(-ΔG/RT)=10^-12 (@950℃) で、生成物をものすごく頑張って分離しないと反応が進みません。
したがって、ヨウ素-硫黄サイクルは実に頭がいい方式ですが、1970年代にGeneral Atomics社で開発されたそうです。この会社は今は軍事ドローンも作っているような企業です。
高温での水分解は他にもcelium oxide cycleやcopper chlorine cycleなどがあるようです。そのうちまとめて調べてみましょう。
英語は、https://en.wikipedia.org/wiki/Control_rod から。
“Control rods are used in nuclear reactors to control the rate of fission of the nuclear fuel – uranium or plutonium.”
control rods 制御棒
nuclear reactors 原子炉
rate of fission 核分裂の速度
nuculear fuel 核燃料
“Breeder reactors operate with fast neutrons.” 増殖炉は高速中性子で動作する。
“Maintaining a constant power output requires keeping the long-term average neutron multiplication factor close to 1.”
一定の出力を維持するためには長期的な中性子増倍因子を１に近づけることが必要である。
“Typical shutdown time for modern reactors is two seconds for 90% reduction, limited by decay heat.”
現代の原子炉のシャットダウンに要する時間は90％出力減少に2秒である。これは崩壊熱によって制限されている。
“Other means of controlling reactivity include (for PWR) a soluble neutron absorber (boric acid) added to the reactor coolant, allowing the complete extraction of the control rods during stationary power operation, ensuring an even power and flux distribution over the entire core. This chemical shim, along with the use of burnable neutron poisons within the fuel pellets, is used to assist regulation of the core’s long term reactivity, while the control rods are used for rapid reactor power changes (e.g. shutdown and start up). ”
soluble 溶ける
reactor coolant 原子炉冷却水
complete extraction of the control rods 制御棒を完全に引き抜くこと
stationary power operation 定常電力での運転
an even power and flux distribution over the entire core 炉心全体でのパワーと中性子束の均等な分布
“In most reactor designs, as a safety measure, control rods are attached to the lifting machinery by electromagnets, rather than direct mechanical linkage. This means that in the event of power failure, the control rods fall automatically, under gravity, all the way into the pile to stop the reaction.”
安全対策としてほとんどの原子炉で制御棒は機械式連結ではなく電磁石で釣りあげられていて、電源喪失時には重力で一番下まで落ちて核反応を停止させるようになっている。