核反应堆

核反应堆，是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应，在反应堆之中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们利用。

核反应堆有许多用途，最重要的用途是产生热能，用以代替其他燃料，产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。当前（截至2011年）全部商业核反应堆都是基于核裂变的，其裂变产物可以生产核武器之中使用的钚。^[1]

人类历史上公认的第一个核反应堆是由恩里科·费米于1942年在芝加哥大学负责设计建造的Chicago Pile-1；该核反应堆输出功率仅为0.5W。

1954年，苏联建成了世界上第一座纯民用的AM-1 Obninsk 原子能发电站，装机容量为5百万瓦。

1960年，美国制造8座输出达2 MW的携带型核子反应炉Alco PM-2A供应该国陆军在格陵兰的Camp Century计划使用。

1972年，法国工人们在非洲加蓬的奥克洛（Oklo）地区发现了输出达100kW的远达20亿年前天然形成的核子反应堆。

核裂变

当一个原子数较高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一个中子时会形成一个激发态的核子，然后裂变为两个或更多个轻核。释放出的动能、伽玛射线和若干个中子，统称为裂变产物。其中有些中子可能被下一个重核吸收，引发下一个裂变反应，释放出更多的中子，依此类推，这个反应就是链式反应。但是动量太高的中子不容易被重核吸收，需要慢化剂来减速中子。而太多中子会使反应过快失去控制，可以用一些对中子吸收截面较大的核素来吸收中子抑制链式反应。通过中子减速剂与吸收剂，来增加和降低反应速率以控制反应堆的输出功率。

一般常用的中子慢化剂有轻水（即H₂O）（世界上75％的反应堆用水做慢化剂），固体石墨（20％）（切尔诺贝利电厂为著名的例子）和重水（即D₂O）（5％）。在一些实验堆中，甲烷和Be也被用来做慢化剂。

热能的产生

在反应堆里，热能主要有以下几个来源：

1.反应碎片通过和周围原子的碰撞，把自身的动能传递给周围的原子。

2.裂变反应产生的伽玛射线被反应堆吸收，转化为热能。

3.反应堆的一些材料在中子的照射下被活化，产生一些放射性的元素。这些元素的衰变能转化为热能。这种衰变热会在反应堆关闭后仍然存在一段时间。

4.1千克U235完全裂变得到的热能等于3千吨煤燃烧所释放的能量。

冷却

在反应堆里，一般用水做冷却剂（轻水或重水），也有用气体或融盐的。冷却剂通过泵浦在堆芯里循环流动，同时把通过裂变产生的热传递出来。一般的反应堆的冷却系统和热机是分开的，例如压水堆。也有的反应堆，蒸气是由反应堆直接加热得到的，例如沸水堆。

反应堆控制

反应堆的输出功率，或者说反应率，是通过控制堆芯内的中子密度和能量来控制的。

控制棒由中子强吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就意味着就少一些中子引发链式反应。因此，把控制棒插入堆芯，将会减慢反应速率，降低输出功率。相反，将控制棒抽出，链式反应的速率将会增加，输出功率也会增加。

在一些反应堆里，冷却剂同时也起慢化的作用。慢化剂通过和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成为热中子。而热中子引发核反应的截面更大些。因此慢化剂密度高，将会增加反应堆的功率输出。而温度高，冷却剂的密度会降低，慢化作用降低，反应速率下降。另一些反应堆里，冷却剂会吸收中子，起到控制棒的作用。在这些反应堆里，可以通过加热冷却剂来提高反应堆的功率。

反应堆都有自动和手动的系统来防止意外事件的发生，当出现意外事件时，将有大量的中子强吸收材料注入，使反应堆关闭。

发电

由链式反应释放出的能量通过冷却剂传导出来，加热水，产生蒸气，推动发电机发电。

按用途分

动力核反应堆
研究核反应堆
生产核反应堆（快滋生反应器）

按反应堆慢化剂和冷却剂分

轻水堆（压水反应堆、沸水反应堆）：轻水型反应堆使用相对分子质量为18的轻水作为慢化剂和冷却剂。
重水堆：重水堆可按结构分为压力容器式和压力管式两类。两者都使用重水做慢化剂，但前者只能用重水做冷却剂，后者却可用重水、轻水、气体等物质做冷却剂。
石墨气冷堆
石墨液冷堆

按反应堆中中子的速度分

热中子堆
快中子堆

1、将中子束用于实验或利用中子束的核反应，包括研究堆、材料实验等。

2、生产放射性同位素的核反应堆。

3、生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆。

4、提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如多目的堆。

5、为发电而发生热量的核反应，称为发电堆。

6、用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆，称为推进堆。

2011年3月日本大地震和海啸引发福岛核危机后，德国决定在2022年之前逐步废除核能发电，并关闭了其17座核反应堆中的8座，但其中5座被关闭的反应堆仍被留作后备供电源，以防意外情况导致其它能源无法满足供电需求。^[2]

2012年2月9日，美国核管理委员会时隔30年首次批准运营两座新建商用核反应堆。这座核电站位于佐治亚州，由美国西屋电气公司设计，最快2016年和2017年分别投入运行，项目造价合计140亿美元。^[1]