中进行可控自持链式裂变反应以产生热能的装置

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1942 年 12 月 2 日，世界上第一座裂变反应堆在芝加哥大学达到临界状态。 这是一个使用天然铀作为燃料、石墨作为慢化剂的实验反应堆。 第一座原型生产反应堆于1943年11月建成并投入运行。1954年6月27日，苏联建成世界上第一座核电站，采用天然铀石墨慢化压力管水冷反应堆，电功率为5000千瓦。 1961年7月，美国建成世界上第一座商业压水堆核电站，电力28.5万千瓦（初始设计值）。 到 20 世纪 80 年代，裂变反应堆已成为世界上最重要的替代能源。

核反应堆按用途可分为：用于船舶推进、发电、供暖的动力堆，生产裂变材料钚或氚的生产堆，用于材料和燃料辐照试验的试验堆等； 按结构可分为：均相反应堆、半均相反应堆、非均相反应堆、固体燃料反应堆、液体燃料反应堆、池式反应堆、壳式加压反应堆、压力管式加压反应堆等； 按中心能谱可分为：热中子反应堆、快中子反应堆、中能中子反应堆和谱移反应堆； 按冷却剂可分为：轻水堆、重水堆、压水（重水）堆、沸水（重水）堆、气冷堆、液态金属冷堆等； 按主持人可分为：轻水堆、重水堆、石墨堆等； 按燃料增殖反应堆可分为：增殖反应堆和非增殖反应堆。 核电站最常见的应用是压水堆。

裂变反应堆系统的一般部件有：核燃料元件、控制棒及其驱动机构、慢化剂、冷却剂和内部结构部件。 堆芯与包含它的反应堆容器一起称为反应堆（见图[反应堆示意图]]）。 一般来说，反应堆实际上是指反应堆系统或反应堆装置。 反应堆系统还包括初级冷却回路管道、初级冷却泵（或鼓风机）、蒸发器（或热交换器）和进一步冷却或利用热能的次级回路。

核燃料是在反应堆中中子作用下发生核裂变反应并释放中子和热量的物质。 作为燃料“燃烧”的是三种裂变核素铀233、铀235和钚239中的一种或混合物。 直到 20 世纪 80 年代，广泛使用的核燃料是铀。 天然铀仅含有0.71%的铀235。 天然铀中的铀235和铀238需要通过扩散、离心、激光等方法分离，以提供比天然铀更高铀235含量的浓缩铀燃料。 。 另外两种可裂变核素是在反应堆中人工生产的。 核燃料的应用形式包括作为固体燃料的纯金属、合金、化合物(特别是氧化钠和碳化物)，以及作为液体燃料的水溶液、液态金属溶液和悬浮液。 对于固体燃料，为了容纳裂变产物并防止核燃料的氧化和腐蚀，采用金属或石墨包壳来覆盖燃料。 这种燃料称为核心。 一组合金涂层的燃料元件（可以是棒、片或环的形式）可以组装成组件，元件之间的定位零件称为垫片。 目前运行的压水堆、沸水堆和重水堆均采用这种燃料组件。 石墨涂层核燃料颗粒与石墨混合并压制成球形或棱形燃料元件，可用于高温气冷反应堆。 锆和铀金属的合金经过氢化，形成铀氢锆元素，用不锈钢管覆盖，可作为特殊试验反应堆（TRCA，实际上是半均匀反应堆）的燃料元件。

慢化核燃料裂变反应释放的中子是快中子。 在热中子或中能中子反应堆中，慢化中子用于维持链式反应。 慢化剂用于降低快中子的能量。 ，使其减速成中子或中等能量中子。 选择主持人时需要考虑许多不同的要求。 首先是核性能：良好的慢化性能和尽可能低的中子俘获截面； 二是价格、机械性能和辐射敏感性。 有时慢化剂兼作冷却剂，即使不是，两者在设计上也密切相关。 应用最广泛的固体慢化剂是石墨，其具有良好的慢化剂性能和加工性能、中子俘获截面小、价格低廉等优点。 石墨是迄今为止发现的两种可以使用天然铀作为燃料的减速剂之一。 另一种是重水。 其他类型的慢化剂必须使用浓缩核燃料。 从核性能的角度来看，重水是更好的慢化剂核反应堆的慢化剂，而且由于它是液体，因此也可以用作冷却剂。 主要缺点是价格较贵且系统设计要求严格的密封要求。 轻水是应用最广泛的缓和剂。 虽然其慢化性能不如重水，但价格较便宜。 重水和轻水有相同的缺点，就是发生辐射分解，发生氢和氧的积累和复合。

控制棒起到补偿和调节反应堆中子反应性以及紧急停堆的作用。 用于制造控制棒的材料具有较大的热中子吸收截面和较小的散射截面。 好的控制棒材料（如铪、镝等）在吸收中子后产生新的同位素时仍具有较大的热中子吸收截面，因此使用寿命长。 核电站常用的控制棒材料有硼钢、银铟镉合金等，其中含硼材料因其资源丰富、价格低廉而得到广泛应用。 然而，它们容易发生辐射脆化和尺寸变化（膨胀）。 银铟镉合金具有较大的热中子吸收截面，是轻水堆的主要控制材料。

压水堆采用棒束控制，控制材料制成棒状。 每个棒束由24根控制棒组成，均匀分布在17×17的燃料组件中。 核电站采用特殊的驱动机构来调节控制棒插入燃料组件的深度，以控制反应堆的反应性。 紧急情况下，使用控制棒来关闭反应堆（此时控制棒材料吸收大量热中子，使自持链式反应无法持续，而中止）。

冷却剂由主循环泵驱动，在一回路中循环，带走堆芯热量并传递给二回路工质，使蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，驱动涡轮发电机发电。 冷却剂是唯一在反应堆内部和外部同时工作的反应堆部件，这要求冷却剂必须在高温和高中子通量场下保持稳定。 此外，大多数合适的流体及其所含杂质在中子辐照下会变得具有放射性，因此冷却剂包含在抗辐射材料中，并用具有良好辐射阻挡能力的材料进行屏蔽。

理想的冷却剂应具有优良的慢化核性能、较大的传热系数和热容量、抗氧化、不产生高放射性。 液态钠（主要用于快中子反应堆）和钠钾合金（主要用于空间动力反应堆）热容量大，传热性能好。 轻水在价格、处理、抗氧化和活化方面具有优势，但其热性能不佳。 重水是很好的冷却剂和慢化剂，但价格昂贵。 气体冷却剂（如二氧化碳、氦气）有很多优点，但比液体冷却剂需要更高的循环泵功率，而且系统密封要求也更高。 有机冷却剂最突出的优点是它们在反应堆中的活化活性低，这是因为所有有机冷却剂的中子俘获截面都很低。 主要缺点是辐射分解率大。 最常用的压水堆核电站使用轻水作为冷却剂和慢化剂。

屏蔽为了防止中子、伽马射线和热辐射，必须在反应堆和大多数辅助设备周围安装屏蔽层。 其设计应力求廉价且节省空间。

对于伽马射线屏蔽，通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土。 钢的强度最好，但价格较贵； 铅的优点是密度较大，因此铅屏蔽厚度较小； 混凝土比金属便宜，但密度较小，因此屏蔽厚度比其他材料厚。

反应堆发出的伽马射线强度非常高，被屏蔽体吸收后会产生热量。 因此，冷却水管常安装在靠近反应堆的伽马射线屏蔽层内。 有些反应堆在堆芯和压力壳之间装有隔热罩，以减少中子对压力壳造成的辐射损伤和射线对压力壳造成的加热。

中子屏蔽需要含有大中子俘获截面元素的材料，通常是硼，有时是浓缩硼 10。 有些屏蔽材料捕获中子后会发射伽马射线，因此中子屏蔽外面必须有一层伽马射线屏蔽。 最外面的屏蔽通常旨在将辐射减少到人体允许的剂量水平以下，通常称为生物屏蔽。 核电站反应堆最外层屏蔽层一般采用普通混凝土或重混凝土。