簡介
核反應堆俗稱原子反應堆，分核裂變反應堆和核聚變反應堆兩類。核裂變反應堆系指在其中維持可控核裂變反應的裝置。核裂變反應堆按用途可分為生産堆、動力堆、試驗研究堆；按冷卻劑和慢化劑分為壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、石墨水冷堆等；按中子能量分為快中子堆、中能中子堆和熱中子堆等。核反應堆有許多用途，最重要的用途是産生熱能，用以代替其他燃料，産生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。當前（截至2011年）全部商業核反應堆都是基于核裂變的，其裂變産物可以生産核武器之中使用的钚。
研發曆史
人類曆史上公認的第一個核反應堆是由恩裡科·費米于1942年在芝加哥大學負責設計建造的Chicago Pile-1；該核反應堆輸出功率僅為0.5W。
1954年，蘇聯建成了世界上第一座純民用的AM-1 Obninsk 原子能發電站，裝機容量為5百萬瓦。
1960年，美國制造8座輸出達2 MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭的Camp Century計劃使用。
1972年，法國工人們在非洲加蓬的奧克洛（Oklo）地區發現了輸出達100kW的遠達20億年前天然形成的核子反應堆。
工作原理
核裂變
當一個原子數較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個中子時會形成一個激發态的核子，然後裂變為兩個或更多個輕核。釋放出的動能、伽瑪射線和若幹個中子，統稱為裂變産物。其中有些中子可能被下一個重核吸收，引發下一個裂變反應，釋放出更多的中子，依此類推，這個反應就是鍊式反應。但是動量太高的中子不容易被重核吸收，需要慢化劑來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制，可以用一些對中子吸收截面較大的核素來吸收中子抑制鍊式反應。通過中子減速劑與吸收劑，來增加和降低反應速率以控制反應堆的輸出功率。
一般常用的中子慢化劑有輕水（即H2O）（世界上75％的反應堆用水做慢化劑），固體石墨（20％）（切爾諾貝利電廠為著名的例子）和重水（即D2O）（5％）。在一些實驗堆中，甲烷和Be也被用來做慢化劑。
熱能的産生
在反應堆裡，熱能主要有以下幾個來源：
1.反應碎片通過和周圍原子的碰撞，把自身的動能傳遞給周圍的原子。
2.裂變反應産生的伽瑪射線被反應堆吸收，轉化為熱能。
3.反應堆的一些材料在中子的照射下被活化，産生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應堆關閉後仍然存在一段時間。
4.1千克U235完全裂變得到的熱能等于3千噸煤燃燒所釋放的能量。
冷卻
在反應堆裡，一般用水做冷卻劑（輕水或重水），也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過泵浦在堆芯裡循環流動，同時把通過裂變産生的熱傳遞出來。一般的反應堆的冷卻系統和熱機是分開的，例如壓水堆。也有的反應堆，蒸氣是由反應堆直接加熱得到的，例如沸水堆。
反應堆控制
反應堆的輸出功率，或者說反應率，是通過控制堆芯内的中子密度和能量來控制的。
控制棒由中子強吸收材料做成。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發鍊式反應。因此，把控制棒插入堆芯，将會減慢反應速率，降低輸出功率。相反，将控制棒抽出，鍊式反應的速率将會增加，輸出功率也會增加。
在一些反應堆裡，冷卻劑同時也起慢化的作用。慢化劑通過和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成為熱中子。而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高，将會增加反應堆的功率輸出。而溫度高，冷卻劑的密度會降低，慢化作用降低，反應速率下降。另一些反應堆裡，冷卻劑會吸收中子，起到控制棒的作用。在這些反應堆裡，可以通過加熱冷卻劑來提高反應堆的功率。
反應堆都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生，當出現意外事件時，将有大量的中子強吸收材料注入，使反應堆關閉。
發電
由鍊式反應釋放出的能量通過冷卻劑傳導出來，加熱水，産生蒸氣，推動發電機發電。
分類
按用途分
動力核反應堆
研究核反應堆
生産核反應堆（快滋生反應器）
按反應堆慢化劑和冷卻劑分
輕水堆（壓水反應堆、沸水反應堆）：輕水型反應堆使用相對分子質量為18的輕水作為慢化劑和冷卻劑。
重水堆：重水堆可按結構分為壓力容器式和壓力管式兩類。兩者都使用重水做慢化劑，但前者隻能用重水做冷卻劑，後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。
石墨氣冷堆
石墨液冷堆
按反應堆中中子的速度分
熱中子堆
快中子堆
主要用途
1、将中子束用于實驗或利用中子束的核反應，包括研究堆、材料實驗等。
2、生産放射性同位素的核反應堆。
3、生産核裂變物質的核反應堆，稱為生産堆。
4、提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應堆，比如多目的堆。
5、為發電而發生熱量的核反應，稱為發電堆。
6、用于推進船舶、飛機、火箭等的核反應堆、稱為推進堆。
新聞事件
2011年3月日本大地震和海嘯引發福島核危機後，德國決定在2022年之前逐步廢除核能發電，并關閉了其17座核反應堆中的8座，但其中5座被關閉的反應堆仍被留作後備供電源，以防意外情況導緻其它能源無法滿足供電需求。
2012年2月9日，美國核管理委員會時隔30年首次批準運營兩座新建商用核反應堆。這座核電站位于佐治亞州，由美國西屋電氣公司設計，最快2016年和2017年分别投入運行，項目造價合計140億美元。
曆史沿革
早在1929年，科克羅夫特就利用質子成功地實現了原子核的變換。但是，用質子引起核反應需要消耗非常多的能量，使質子和目标的原子核碰撞命中的機會也非常之少。
1938年，德國人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發生了碰撞。這項實驗有着非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡單地發生了分裂，而且裂變後總的質量減少，同時放出能量。尤其重要的是鈾原子裂變時，除裂變碎片之外還射出2至3個中子，這個中子又可以引起下一個鈾原子的裂變，從而發生連鎖反應。
1939年的1月，用中子而引起鈾原子的核裂變的一些消息傳到費米的耳朵裡，當時他早已逃亡到美國的哥倫比亞。人類第一座核反應堆的設計者費米，費米不愧是一個天才的科學家，當他一聽到這個消息時，就馬上相當直觀地設想了原子反應堆的一個可能性，并開始為他能夠實現這個設想而努力奮鬥。費米組織了一支研究隊伍，而且專門對所建立的原子反應堆等問題進行十分徹底的研究。費米與助手們在一起，經常會通宵不眠地進行理論方面的一些計算，并思考着一些反應堆的形狀設計。
1942年12月2日，費米的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學足球場的一個巨大石墨型反應堆前面。這時由費米發出信号，緊接着從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構成的巨大反應堆裡，控制棒緩慢地被拔了出來，随着計數器發出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計數器的聲音響成了一片，這說明連鎖反應開始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時刻。
1954年前蘇聯建成世界上第一座原子能發電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國也建成了原子能電站。原子能電站的發展并非一帆風順，不少人對核電站的放射性污染問題感到憂慮和恐懼，因此出現了反核電運動。其實，在嚴格的科學管理之下，原子能是安全的能源。原子能發電站周圍的放射性水平，同天然本底的放射性水平實際并沒有多大差别。
1979年3月，美國三裡島原子能發電站由于操作錯誤和設備失靈，造成了原子能開發史上空前未有的嚴重事故。然而，由于反應堆的停堆系統、應急冷卻系統和安全殼等安全措施發揮了作用，結果放射性外逸量微乎其微，人和環境沒有受到什麼影響，充分說明現代科技的發展已能保證原子能的安全利用。
注意事項
鈾-235原子分裂時會（根據分裂方式的不同）釋放出兩個或三個中子。如果附近沒有鈾-235原子，那麼這些中子将會以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分——那麼附近就有其他鈾原子——于是将會發生下面三種情況：
如果平均起來，每次裂變正好有一個自由中子擊中另一個鈾-235原子核并使它發生裂變，那麼這塊鈾的質量就被認為是臨界的。其質量将維持一個穩定的溫度。核反應堆必須被維持在臨界狀态。
如果平均起來，擊中另一個鈾-235原子的自由中子少于一個，那麼這塊質量就是亞臨界的。最終，物質的誘發裂變會終止。
如果平均起來，有超過一個自由中子擊中了另一個鈾-235原子，那麼這塊鈾的質量就是超臨界的。鈾會熱起來。
對于核彈，其設計者要求鈾的質量遠遠超過超臨界質量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時間内全部發生裂變。在核反應堆中，反應堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應堆的溫度。工作人員通過操作控制棒來吸收自由中子，以使反應堆維持在臨界水平。
燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況。可以想象，如果燃料是細薄的片狀，那麼多數自由中子将會飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實現臨界反應的鈾-235的量大約為0.9公斤。這個量因此被稱為臨界質量。钚-239的臨界質量大約是283克。
