核裂变释放出大量热能,可以驱动蒸汽轮机发电。核燃料通常是一种易裂变核素,比如铀-235,平均每次裂变产生 一个以上的中子。裂变释放的快中子必须 通过中子减速剂减速,因为热中子在裂变燃料中会最有效地 启动链式反应。水是一种很好的减速剂,因为氢原子核和中子大小相当,可以确保中子在碰撞中 失去大量的动能。重水就更好了,因为氘已经有一个中子,不太可能吸收另一个。减速剂还起到中子反射器的作用,可以保持中子在堆芯中 均匀分布。因为铀-235 或铀-238 的自发裂变不可预测,所以在反应堆中安装了 一个中子源,来确保链式反应的 可控引发。链式反应的状态用 中子倍增因数 k 表示:每一代裂变产生的中子数 与上一代裂变 产生的中子数 的比值。k 小于 1 时,反应堆处于亚临界状态,能量输出减少。k 等于 1 时,反应堆处于临界状态,能量输出稳定。k 大于 1 时,反应堆处于超临界状态,能量输出增加。链式反应由控制棒控制,控制棒采用硼或镉等 中子吸收材料制成。完全插入的控制棒吸收大量中子,使反应堆保持在亚临界状态。抽出控制棒会发生 越来越多的裂变。冷却剂,例如水,将热量从反应堆堆芯中转移出去,为涡轮机提供蒸汽。随着反应堆升温,中子运动速度加快,裂变的可能性降低,这有助于避免过热。堆芯被水和 厚混凝土层等材料屏蔽。总体堆芯设计和安全壳结构 都取决于反应堆的具体类型。