液体金属冷却炉
ソビエト連邦のノヴェンバー型原子力潜水艦 K-27とアルファ型原子力潜水艦の7隻には鉛ビスマス合金を冷却材とした原子炉(K-27にはVT-1型原子炉、アルファ型にはBM-40A型原子炉およびOK-550型原子炉)が搭載されていた。ソビエト連邦とアメリカ合衆国は、双方とも早い時期に液体金属冷却炉を搭載した攻撃型原子力潜水艦のプロトタイプを建造していた。
アメリカ合衆国が建造した2番目の原子力潜水艦であるシーウルフ (SSN-575)はアメリカの原子力潜水艦で唯一のナトリウム冷却炉搭載艦である。1957年に就役したが、過熱蒸気発生装置からの蒸気漏れが発生したためにこれをバイパスして稼働させていた。アメリカ海軍は「使用する炉型を標準化するため」として、早くも1958年にはナトリウム冷却炉を撤去して加圧水型炉に交換した。
最も初期の液体金属冷却炉であるクレメンタインは水銀を冷却材として利用していた。これは水銀が室温で液体であるためであったが、その毒性や室温における高い蒸気圧と低い沸点、加熱により発生する有害な蒸気、比較的低い熱伝導率、大きな中性子吸収断面積 といった欠点から、研究は下火になっていった。
ナトリウムおよびNaK合金(ナトリウムとカリウムの共晶合金)はいかなる温度においても鉄に対する腐食性がなく、様々な核燃料が利用できることから、原子炉構造材の選択肢が多いという特長がある。しかし、空気に触れただけで発火し、水とは極めて激しく反応して水素ガスを発生してしまうなど化学的に活性が高いことが問題となる。実際に1995年には日本の高速増殖炉原型炉もんじゅでナトリウム漏れおよび発火事故が起きている。
水に代わるより安全な二次冷却材としてCO2を用いた超臨界CO2ガスタービン発電が提案されているが、ナトリウム、カリウムは二酸化炭素を使って燃えることもできてしまう。
運転中の中性子照射により放射化したナトリウム(ナトリウム24)は線量が高いことも運転中の点検・修理において問題となる。ただし、ナトリウム24は半減期が約15時間と短いため廃棄物処理の際に問題になることはない(他の同位体はナトリウム22(2.6年)を除いて半減期が1日以下であり、ナトリウム22は安定同位体のナトリウム23より質量数が小さく運転中に生じることはないので無視できる)。