裂变和肥沃的材料
所有的核素年代有能力裂变时处于兴奋状态,但只有少数裂变容易和持续当被缓慢(低能)中子。这些种类的原子称为裂变。最显著的利用裂变核素核工业的铀- 233 (233年U),铀- 235(235年U),钚- 239 (239年Pu),钚- 241 (241年Pu)。其中,只有铀- 235发生在一个可用的数量在获知了他的天性并在自然铀只有大约0.7204%的重量,需要一个漫长而昂贵的浓缩过程生成一个可用的反应堆燃料(见下文核燃料循环)。
作为一个替代处理和铀浓缩活动- 235,有可能经过的过程产生大量的普遍不如其他裂变核素铀- 235。这些放射性核素钍- 232(著名的来源232年Th),铀- 238 (238年U),钚- 240 (240年Pu),这被称为肥沃的材料由于他们变成裂变材料的能力。例如,钍- 232,主要同位素的自然钍可以用于生成铀- 233通过这一过程称为中子俘获。当一个核钍- 232吸收,或“捕获”中子,它变成了钍- 233的半衰期约为21.83分钟。后核素衰变通过电子发射镤-233年,其半衰期为26.967天。镤- 233核素在衰变通过电子发射产生铀233。
中子俘获也可以用来创建大量的钚- 239从铀- 238,校长组成天然铀。吸收中子的铀- 238核收益率铀- 239,通过电子发射到23.47分钟后衰变镎-239年,最终,后2.356天,钚- 239。
如果需要,钚- 241可能产生直接通过中子俘获钚- 240后,公式240年聚氨酯+1n =241年聚氨酯。
动力堆包含裂变和肥沃的材料。肥沃的材料部分取代被裂变的裂变材料,从而允许反应堆运行时间的裂变材料的数量降低到临界不再是可控的。钚- 240是特别发现建立在反应堆经过长时间的操作,因为它比其母核素半衰期较长。
除热
很大一部分裂变的能量转换来热裂变反应的瞬间打破了最初目标原子核裂变碎片。这种能量的大部分沉积在燃料、冷却剂是需要除去热量,为了维持一个平衡系统(以及传输热能发电的植物)。最常见的冷却剂水,虽然可以使用任何液体。重水(氧化氘),空气,二氧化碳,氦、液体钠、钠钾合金(称为NaK)、熔融盐碳氢化合物年代都被用于反应堆和反应堆实验。
一些研究反应堆操作以非常低的权力和不需要一个专门的冷却系统;在这样的单位产生的少量的热移除传导和对流到环境。非常高功率反应堆,另一方面,必须有非常复杂的冷却系统来去除热量迅速和可靠;否则,热火将建立在反应堆燃料和融化。事实上,大多数反应堆操作燃料不能融化的原则;因此,设计的系统冷却燃料必须足够在正常和异常条件下运作。系统,使足够的冷却期间所有可信的异常状况核能植物被称为紧急核心冷却系统。
屏蔽
一个操作的反应堆是一种强大的来源辐射,因为裂变和后续放射性衰变产生中子和伽马射线年代,这两个是高度渗透的辐射。一个反应堆周围必须有专门设计的屏蔽吸收和反射辐射为了保护反应堆技术人员和其他人员接触。在流行类的研究反应堆被称为“游泳池”,这种屏蔽将反应堆提供的在一个大的深水池。在其他类型的反应堆,盾牌由厚混凝土在反应堆系统结构称为生物盾牌。盾牌也可能含有重金属,如铅或钢为更有效的伽马射线的吸收,和沉重的聚合可用于混凝土本身出于同样的目的。
临界浓度和规模
不是每个包含裂变燃料可以安排材料的临界。即使反应堆设计中子不可能泄漏,裂变材料的临界浓度必须为了让反应堆临界状态。否则,吸收中子的其他成分反应堆可能占主导地位抑制持续链式裂变反应。同样的,即使有一个水汪汪的临界浓度,反应堆必须占领一个适当的体积和规定的几何形式,否则更多的中子将比通过裂变泄露出来。这个需求强加限制最低在反应堆临界体积和临界质量。
尽管唯一有用的裂变材料在自然界中,铀- 235是在自然中找到铀,只有少数组合和安排和其他材料,使反应堆维持一段时间的临界状态。增加的范围可行的反应堆的设计,丰富铀经常使用。今天的大部分电力反应堆使用浓缩铀燃料的铀- 235的比例已增至3至5%,大约五倍半天然铀的浓度。大的铀浓缩工厂存在于几个国家;事实上,浓缩成了商业企业(见下文浓缩)。