เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

กลไก

บทความหลัก: กายภาพของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น

ฟิชชัน

บทความหลัก: นิวเคลียร์ฟิชชัน
เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear chain reaction)
เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน (อังกฤษ: neutron poison หรือ neutron absorber) และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator) สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงหากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย.
ตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันโดยทั่วไปประกอบด้วยน้ำธรรมดา (น้ำเบา) (เป็น 74.8% ของเครื่องปฏิกรณ์ของโลก), แท่งแกรไฟท์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water) (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) บางชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการทดลองจะใช้เบริลเลียม แต่ไฮโดรคาร์บอนก็ได้รับการแนะนำว่าเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

การระบายความร้อน

ตัวหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - ปกติใช้น้ำ แต่บางครั้งใช้ก๊าซหรือโลหะเหลว (เช่นโซเดียมเหลว) หรือเกลือหลอมละลาย - ถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่จะสร้างออกมา. ความร้อนจะถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์และถูกนำมาใช้ในการสร้างไอน้ำ. ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบทำความเย็นที่แยกทางกายภาพออกจากน้ำที่จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (อังกฤษ: pressurized water reactor (PWR))" แต่ในบางเครื่องปฏิกรณ์, น้ำสำหรับกังหันไอน้ำถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์, ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (อังกฤษ: boiling water reactor (BWR)).

การควบคุมการเกิดปฏิกิริยา

บทความหลัก: การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, ความปลอดภัยนิวเคลียร์แบบไม่ตอบโต้, นิวตรอนที่ล่าช้า, หลุมไอโอดีน, SCRAM, และ ความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Decay heat)
พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปรับโดยการควบคุมจำนวนนิวตรอนที่สามารถสร้าง fissions เพิ่มเติม
แท่งควบคุม (อังกฤษ: control rod) จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น
ในระดับแรกของการควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง, กระบวนการของการปล่อยนิวตรอนที่ล่าช้าจากจำนวนของไอโซโทปฟิชชันที่อุดมด้วยนิวตรอนเป็นกระบวนการทางกายภาพที่สำคัญ นิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้มีอยู่ประมาณ 0.65% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชั่น, กับส่วนที่เหลืออยู่ (ที่เรียกว่า "prompt neutron") ที่ถูกปล่อยออกทันทีเมื่อเกิดฟิชชัน ผลผลิตจากฟิชชั่นที่ผลิตนิวตรอนล่าช้ามีครึ่งชีวิตในการสลายตัวของพวกมันโดยการปล่อยนิวตรอนที่หลากหลายจากมิลลิวินาทีจนถึงเวลาหลายนาที. การรักษาเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในโซนของห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่นิวตรอนล่าช้าเป็นสิ่ง'จำเป็น'เพื่อให้บรรลุสภาวะมวลวิกฤต, เปิดช่วงเวลาให้อุปกรณ์เครื่องกลหรือมนุษย์ผู้ประกอบการที่จะมีเวลาในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ใน "เวลาจริง"; มิฉะนั้นเวลาระหว่างความสำเร็จของวิกฤตและนิวเคลียร์หลอมละลายเป็นผลมาจากไฟกระชากแบบเอ็กโปเนนเชียลจา​​กปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ปกติ, จะสั้นเกินไปที่จะยอมให้มีการแทรกแซง.
ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่นสูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน. นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว. ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต. ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย.
ในเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ตัวหล่อเย็นทำหน้าที่เป็น poison โดยการดูดซับนิวตรอนในลักษณะเดียวกับที่แท่งควบคุมทำ. ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ พลังงานส่งออกจะสามารถเพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนตัวหล่อเย็น, ซึ่งทำให้มันมีความหนาแน่นของ poison น้อย. [อ้างจำเป็น] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมีระบบอัตโนมัติและระบบใช้มือในการ scram เครื่องปฏิกรณ์ในกรณีปิดตัวลงฉุกเฉิน. ระบบเหล่านี้จะใส่ poison จำนวนมาก (มักจะเป็นโบรอนในรูปแบบของกรดบอริก) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบหรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย.
ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burnoff (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล.
เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ใน'การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล' (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือดำน้ำนิวเคลียร์) มักจะไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟต่อเนื่องตลอดเวลาในลักษณะเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนบกที่ทำงานได้ตามปกติและนอกจากนี้มักจะต้องมีอายุของแกนที่ยาวมากโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง. ด้วยเหตุผลนี้ การออกแบบจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมสมรรถนะสูง แต่รวม neutron poison ที่ใหม้ไฟได้ลงในแท่งเ​​ชื้อเพลิงโดยตรง. วิธีการนี้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถถูกสร้างด้วยส่วนเกินของวัสดุที่ฟิชชั่นได้, ซึ่งอย่างไรก็ดีถูกทำให้ค่อนข้างปลอดภัยมากขึ้นในช่วงต้นของวงจรการเผาเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุที่ดูดกลืนนิวตรอน, ที่หลังจากนั้นมีการแทนที่ด้วย neutron poison อายุยาวที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติ (อายุยาวนานกว่าซีนอน-135 มาก) ซึ่งค่อยๆสะสมตลอดช่วงอายุการใช้งานโหลดเชื้อเพลิง

การผลิตพลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือจะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า.

เครื่องปฏิกรณ์ในช่วงต้น

นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933. เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมาขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ. ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้.
แรงบันดาลใจสำหรับรูปแบบใหม่ของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมมาจากการค้นพบของลีซ ไมต์เนอ, ฟริตซ์ Strassmann และอ็อตโต ฮาห์นในปี 1938 ที่การระดมโจมตีของยูเรเนียมด้วยนิวตรอน (ที่จัดการโดยปฏิกิริยาอัลฟาในเบริลเลียมฟิวชั่น "ปืนครกนิวตรอน") ที่ผลิตสารตกค้างแบเรียม, ซึ่งพวกเขาให้เหตุผลที่ถูกสร้างขึ้นโดยการทำฟิชชั่นของนิวเคลียสของยูเรเนียม. การศึกษาต่อในช่วงต้นปี 1939 (หนึ่งของการศึกษานี้ทำโดย Szilárd และ Fermi) เปิดเผยว่าหลายนิวตรอนได้รับการปล่อยตัวในระหว่างการทำฟิชชั่น, ทำให้มีโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ Szilárd ได้จินตนาการไว้หกปีก่อนหน้านี้.
เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 1939 Albert Einstein ลงนามในจดหมายถึงประธานาธิบดีโรสเวลต์ (เขียนโดย Szilárd) แนะนำว่าการค้นพบของการฟิชชั่นของยูเรเนียมอาจนำไปสู่​​การพัฒนาของ "ระเบิดที่มีประสิทธิภาพสูงมากของรูปแบบใหม่", เพื่อเป็นแรงผลักดันให้ทำการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์และฟิชชั่น. Szilárd และ Einstein รู้กันดีและได้ทำงานร่วมกันหลายปีก่อน, แต่ Einstein ไม่เคยคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์นี้จนกระทั่งซิลาร์ดรายงานมันกับเขา, ที่จุดเริ่มต้นของการแสวงหาของเขาในการเขียน'จดหมาย Einstein-Szilárd'เพื่อแจ้งเตือนรัฐบาลสหรัฐ .
ไม่นานหลังจากเยอรมนีของฮิตเลอร์บุกโปแลนด์ในปี 1939, เริ่มต้นสงครามโลกครั้งที่สองในยุโรป. สหรัฐอเมริกาก็ยังไม่อยู่ในภาวะสงครามอย่างเป็นทางการ, แต่ในเดือนตุลาคม, เมื่อจดหมาย Einstein-Szilárd ถูกส่งไปยังโรสเวล, เขาให้ความเห็นว่าวัตถุประสงค์ของการทำวิจัยคือเพื่อให้แน่ใจว่า "พวกนาซีจะไม่ระเบิดเราทิ้ง". โครงการนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกาก็ตามมา, แม้ว่าจะมีความล่าช้าบางอย่างที่ยังถูกมองในแง่ร้าย (บางส่วนจาก Fermi) และยังมีการดำเนินการเพียงเล็กน้อยจากเจ้าหน้าที่ในรัฐบาลบางคนที่ถูกกล่าวหาในตอนแรกว่ามีการเลื่อนโครงการไปข้างหน้า
ปีต่อมา รัฐบาลสหรัฐได้รับบันทึก Frisch-Peierls จากสหราชอาณาจักรที่ระบุว่าปริมาณของยูเรเนียมที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่จะต่ำกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้มาก. บันทึกถูกเขียนขึ้นโดย 'คณะกรรมการ MAUD'ซึ่งกำลังทำงานในโครงการระเบิดปรมาณูของสหราชอาณาจักรที่เรียกว่า Tube Alloys หลังจากนั้นจะถูกควบรวมอยู่ภายใน'โครงการแมนฮัตตัน'
ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทียมเครื่องแรก, Chicago Pile-1, ถูกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยชิคาโก, โดยทีมงานที่นำโดยเอนรีโก Fermi ในปลายปี 1942. ในเวลานั้น โครงการได้รับการกดดันเป็นปีโดยการเข้าร่วมในสงครามของสหรัฐ.  โครงการเสาเข็มชิคาโกประสบความสำเร็จขั้น'มวลวิกฤต'ในวันที่ 2 ธันวาคม 1942 เวลา 15:25 น. โครงสร้างที่รองรับเครื่องปฏิกรณ์ทำจากไม้, ซึ่งรองรับเสาเข็ม (จึงเป็นที่มาของชื่อ)ทำด้วยบล็อกแกรไฟท์, ที่ภายในถูกฝังด้วยยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติรูป 'pseudospheres' หรือ 'ลูกกลม'.
ไม่นานหลังจากโครงการเสาเข็มชิคาโก, กองทัพสหรัฐได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวนมากสำหรับ'โครงการแมนฮัตตัน'ที่จะเริ่มในปี 1943. วัตถุประสงค์หลักสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ที่สุด (ติดตั้งที่ Hanford ในรัฐวอชิงตัน) ก็คือเพื่อผลิตพลูโตเนียมจำนวนมากๆสำหรับอาวุธนิวเคลียร์. Fermi และ Szilard ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในวันที่ 19 ธันวาคม 1944. การอนุมัติถูกเลื่อนออกไปเป็นเวลา 10 ปีเพราะเป็นความลับของสงคราม.
"โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก" ถูกอ้างสิทธ์โดยสัญญลักษณ์ที่สถานที่ติดตั้งของ EBR-I, ซึ่งปัจจุบันเป็นพิพิธภัณฑ์ใกล้ Arco, รัฐไอดาโฮ. แต่เดิมเรียกว่า "Chicago Pile-5", มันดำเนินการภายใต้การดูแลของวอลเตอร์ ซินน์ สำหรับ'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน'. การทดลองกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ LMFBR (liquid metal fast breeder reactor)นี้ดำเนินการโดย'คณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐอเมริกา'ที่ผลิต 0.8 กิโลวัตต์ในการทดสอบครั้งหนึ่งเมื่อวันที่ 20 ธันวาคม 1951 และ 100 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า) ในวันรุ่งขึ้น, ด้วยการออกแบบที่มีกำลังการส่งออกที่ 200 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า)
นอกเหนือจากการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในทางทหาร, ยังมีเหตุผลทางการเมืองที่จะติดตามการใช้งานพลังงานปรมาณูด้านพลเรือน. ประธานาธิบดีสหรัฐ ดไวต์ ไอเซนฮาว ได้กล่าวสุนทรพจน์เกี่ยวกับ'พลังงานปรมาณูเพื่อสันติ'ที่มีชื่อเสียงของเขาที่'สมัชชาใหญ่องค์การสหประชาชาติ'เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 1953. ศิลปะทางการทูตแบบนี้นำไปสู่​​การแพร่กระจายของเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ให้กับสถาบันต่างๆของสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก
โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางพลเรือนคือโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ AM-1 Obninsk, เปิดตัววันที่ 27 มิถุนายน 1954 ในสหภาพโซเวียต. มันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 5 เมกะวัตต์.
หลังสงครามโลกครั้งที่สอง, ทหารสหรัฐขอใช้เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกิการอื่นๆ. การวิจัยโดยกองทัพบกและกองทัพอากาศไม่เคยบรรลุผล; แต่กองทัพเรือสหรัฐประสบความสำเร็จเมื่อพวกเขาจ่ายพลังงานไอน้ำให้กับเรือ ยูเอสเอส Nautilus (SSN-571) ด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในวันที่ 17 มกราคม 1955.
สถานีไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์สถานีแรกคือ Calder Hall ใน Sellafield, อังกฤษถูกเปิดในปี 1956 มีกำลังการผลิตเริ่มต้นจาก 50 เมกะวัตต์ (200 MW ในภายหลัง).
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบพกพาเครื่องแรกคือ "Alco PM-2A" ใช้ในการสร้างพลังงานไฟฟ้า (2 เมกะวัตต์) ใน Camp Century ในปี 1960.

การจำแนกประเภท

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกจำแนกประเภทด้วยวิธีการหลายอย่าง. เค้าร่างสั้นๆของวิธีการจำแนกเหล่านี้ได้แก่:

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

นิวเคลียร์ฟิวชันที่ถูกควบคุมในหลักการสามารถที่จะนำมาใช้ในโรงไฟฟ้าฟิวชั่นในการผลิตไฟฟ้าโดยไม่มีความซับซ้อนของการจัดการพวก actinides ทั้งหลาย, แต่อุปสรรคทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่สำคัญยังคงอยู่. หลายเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นได้รับการสร้างขึ้น แต่ยังไม่มีสักเครื่องที่สามารถ 'ผลิต' พลังงานความร้อนได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคเข้าไป. แม้จะมีการวิจัยที่มีการเริ่มต้นในปี 1950s, ไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ที่คาดว่าจะทำสำเร็จก่อนปี 2050. โครงการ ITER ขณะนี้กำลังพยายามที่จะนำพลังงานฟิวชั่นไปใช้ทางการค้า

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

บทความหลัก: วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ 
เครื่องปฏิกรณ์ร้อนโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับยูเรเนียมที่ถูกกลั่นและเสริมสมรรถนะ. บางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถทำงานด้วยส่วนผสมของพลูโตเนียมและยูเรเนียม (ดู MOX). กระบวนการที่แร่ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมา, ผ่านกระบวนการผลิต, เสริมสมรรถนะ, ถูกนำไปใช้งาน, อาจจะถูกแปรสภาพและจำหน่ายทิ้งไป, เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ 
น้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติเป็นไอโซโทปของ U-235 ที่สามารถทำปฏิกิริยาฟิชชั่นได้อย่างง่ายดายและด้วยเหตุนี้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะสูง. สมรรถนะที่สูงนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนเปอร์เซ็นต์ของ U-235 และมักจะถูกทำด้วยวิธีการของการแตกตัวของแก๊ส(อังกฤษ: gaseous diffusion) หรือ การเหวี่ยงแก๊สเข้าสู่ศูนย์กลาง(อังกฤษ: gas centrifuge). ผลที่ไดจากการเสริมสมรรถนะจะถูกส่งต่อไปเปลี่ยนให้เป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์, ซึ่งจะถูกกดและยิงให้อยู่ในรูปแบบเม็ด. เม็ดเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันเป็นหลอดๆแล้วจะถูกปิดผนึกซึ่งจะเรียกมันว่าแท่งเชื้อเพลิง(อังกฤษ: fuel rod). หลายแท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้จะถูกใช้ในแต่ละเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์. 
เครื่องปฏิกรณ์ BWR และ PWR เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะที่ประมาณ 4% ของ U-235, และเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์บางเครื่องที่มีนิวตรอนเศรษฐกิจ(อังกฤษ: neutron economy) สูงไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะเลย (นั่นคือพวกมันสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้). จากข้อมูลสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ, มีอย่างน้อย 100 เครื่องปฏิกรณ์วิจัยในโลกใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะสูง (weapons-grade/ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 90%). ความเสี่ยงจากการขโมยน้ำมันเชื้อเพลิงนี้ (อาจใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์) ได้นำไปสู่​​แคมเปญการสนับสนุนการแปลงของประเภทของเครื่องปฏิกรณ์นี้ให้เป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ(ซึ่งเป็นภัยคุกคามน้อยกว่าการแพร่ขยาย).
U-235 ที่ฟิชชั่นได้และไม่ฟิชชั่นแต่สามารถทำให้ฟิชชั่นได้และ U-238 ที่อุดมสมบูรณ์ทั้งหมดนี้ใช้ในกระบวนการฟิชชัน. U-235 สามารถทำให้ฟิชชั่นได้โดยนิวตรอนร้อน (หรือเคลื่อนไหวช้า). นิวตรอนร้อนเป็นตัวที่มีการเคลื่อนไหวประมาณความเร็วเดียวกับอะตอมที่อยู่รอบตัวมัน. เนื่องจากอะตอมทั้งหมดจะสั่นเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของพวกมัน, นิวตรอนร้อนมีโอกาสที่ดีที่สุดที่จะฟิชชั่น U-235 เมื่อมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับการสั่นนี้. ในอีกด้านหนึ่ง U-238 มีแนวโน้มที่จะจับนิวตรอนเมื่อนิวตรอนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมาก. อะตอมของ U-239 นี้จะสลายตัวในไม่ช้าเป็นพลูโตเนียม-239 ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงอีกแบบหนึ่ง. Pu-239 เป็นเชื้อเพลิงทำงานได้และต้องมีหน้าที่รับผิดชอบแม้ว่าเมื่อเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาใช้. การฟิชชั่นของพลูโตเนียมจะมีอิทธิพลเหนือการฟิชชั่นของ U-235 ในเครื่องปฏิกรณ์บางตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจาก U-235 ที่ถูกจ่ายให้ตอนแรกถูกนำไปใช้แล้ว. พลูโตเนียมสามารถฟิชชั่นได้ทั้งแบบนิวตรอนเร็วและนิวตรอนร้อนซึ่งทำให้มันเหมาะสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์. 
การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและมักจะใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (ตัวหน่วงหมายความว่ามันหน่วงความเร็วของนิวตรอนให้ช้าลงที่ความเร็วของความร้อน) และใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็น. แต่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้ตัวหล่อเย็นเป็นอย่างอื่นซึ่งจะไม่ได้หน่วงหรือทำให้นิวตรอนช้าลงมากนัก. นี่ทำให้นิวตรอนเร็วเหนือกว่า, ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเติมเต็มการจัดหาน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง. โดยเพียงแค่วางยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะและราคาถูกลงไปในแกนเช่นนั้น, U-238 ที่ไม่สามารถฟิชชั้นได้ก็จะกลายเป็น Pu-239, เป็นการ"ออกลูก"(อังกฤษ: breeding) เชื้อเพลิง. 
ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งแบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสูญสลายแบบบีตาไปเป็นโพรโทแอกทิเนียม-233 แล้วก็เป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจะถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ดังนั้น เหมือนยูเรเนียม 238 ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์(อังกฤษ: fertile material)ตัวหนึ่ง.

การจ่ายเชื้อเพลิงให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปริมาณของพลังงานในอ่างเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกแสดงบ่อยครั้งในแง่ของ "วันเต็มกำลัง" (อังกฤษ: full-power days) ซึ่งเป็นจำนวนของระยะเวลา 24 ชั่วโมง (วัน) ที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวหนึ่งได้ถูกกำหนดตารางเวลาไว้สำหรับการดำเนินงานที่จะสามารถส่งออกพลังงานได้เต็มกำลังในการสร้างพลังงานความร้อน.  จำนวนวันเต็มกำลังในรอบการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ (ระหว่างเวลาเติมน้ำมันครั้งหนึ่งจนถึงเติมน้ำมันครั้งต่อไป) จะเกี่ยวข้องกับปริมาณของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่ฟิชชั่นได้ที่เก็บอยู่ในแท่งเชื้อเพลิงที่จุดเริ่มต้นของวงจร. เปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของ U-235 ในแกนที่จุดเริ่มต้นของวงจรจะยอมให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้นานวันเต็มกำลังมากขึ้น. 
ในตอนท้ายของรอบการดำเนินงาน, เชื้อเพลิงในบางส่วนของแท่งจะถูก"ใช้" และถูกระบายออกไปและถูกแทนที่ด้วยแท่งเชื้อเพลิงใหม่(สด), แม้ว่าในทางปฏิบัติมันเป็นสาร buildup ของพิษจากปฏิกิริยา(อังกฤษ: reaction poison)ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำหนดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์. นานก่อนที่การฟิชชั่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเกิดขึ้นได้, ตัว buildup ของนิวตรอนอายุยาวที่ดูดซับผลพลอยได้จากฟิชชันจะขัดขวางปฏิกิริยาลูกโซ่. ส่วนย่อยของแกนเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเปลี่ยนในระหว่างการเติมเชื้อเพลิงโดยปกติจะเป็นหนึ่งในสี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดและเป็นหนึ่งในสามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ. การจำหน่ายทิ้งและการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนี้เป็นหนึ่งในด้านที่ท้าทายที่สุดของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์. กากนิวเคลียร์นี้เป็นกัมมันตรังสีที่สูงและความเป็นพิษของมันจะเป็นอันตรายนับพันๆปี.
ไม่ใช่ทุกเครื่องปฏิกรณ์จะต้องปิดตัวลงเพื่อเติมเชื้อเพลิง; ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์ถังกรวด, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK, เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย, Magnox, AGR และ CANDU ยอมให้เชื้อเพลิงได้รับการเลื่อนผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่มันกำลังทำงานอยู่. ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU กระบวนการนี้ยังยอมให้องค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละส่วนที่จะติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะที่สุดกับปริมาณของ U-235 ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง 
ปริมาณของพลังงานที่สกัดจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเรียกว่า burnup ซึ่งจะแสดงในแง่ของพลังงานความร้อนที่ผลิตต่อหน่วยน้ำหนักเริ่มต้นของน้ำหนักเชื้อเพลิง. Burnup ทั่วไปจะถูกแสดงเป็นความร้อนเมกะวัตต์วันต่อเมตริกตันของโลหะหนักเริ่มต้น.

ความปลอดภัย

ความปลอดภัยนิวเคลียร์ครอบคลุมการดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีหรือเพื่อจำกัดผลกระทบของพวกมัน. อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ได้มีการปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์, และได้นำเสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ที่ปลอดภัย (แต่โดยทั่วไปยังไม่ทดลอง) แต่ไม่มีการรับประกันว่าเครื่องปฏิกรณ์จะได้รับการออกแบบ, สร้างและดำเนินการอย่างถูกต้องหรือไม่. ข้อผิดพลาดก็เกิดขึ้นจริงและนักออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ฟูกูชิม่าในประเทศญี่ปุ่นไม่ได้คาดว่าคลื่นสึนามิที่เกิดจากแผ่นดินไหวจะปิดการใช้งานระบบสำรองที่ควรจะรักษาเสถียรภาพให้กับเครื่องปฏิกรณ์หลังเกิดแผ่นดินไหว. ตามที่ UBSAG, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ของเครื่องฟูกูชิม่า I ได้สร้างความสงสัยว่า แม้แต่ประเทศเศรษฐกิจก้าวหน้าอย่างญี่ปุ่นจะสามารถควบคุมความปลอดภัยนิวเคลียร์ได้หรือไม่. สถานการณ์ภัยพิบัติที่เกี่ยวข้องกับการโจมตีของผู้ก่อการร้ายนี้ก็ยังเป็นไปได้. ทีมสหวิทยาการจากเอ็มไอทีได้คาดการณ์ว่าถ้าการเจริญเติบโตของพลังงานนิวเคลียร์ในช่วงปี 2005-2055 เป็นไปตามแผน, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ร้ายแรงคาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างน้อย 4 ครั้งในช่วงเวลานั้น.

อุบัติเหตุ

ดูเพิ่มเติม: รายการของเหตุการณ์ภัยพิบัติทางนิวเคลียร์และกัมมันตรังสี 
อุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีที่บางครั้งร้ายแรงได้เกิดขึ้น. อุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เรียงตามยอดผู้เสียชีวิตรวมถึงภัยพิบัติเชอร์โนบิล (1986), ภัยพิบัตินิวเคลียร์ Fukushima Daiichi (2011), อุบัติเหตุเกาะทรีไมล์ (1979) และอุบัติเหตุ SL-1 (1961). อุบัติเหตุเรือดำน้ำขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์รวมถึงอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-19 (1961), อุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-27 (1968), และการเกิดอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-431 (1985).
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถุกยิงเข้าสู่วงโคจรของโลกไม่น้อยกว่า 34 ครั้ง. เกิดอุบัติเหตุหลายครั้งเกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไร้คนขับ RORSAT ในโครงการดาวเทียมเรดาร์ของโซเวียต ที่ส่งผลให้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วกลับเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลกจากวงโคจร.

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ

แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นมักจะถุกคิดว่าเป็นผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีที่ทันสมัยแต่เพียงอย่างเดียว, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นเครื่องแรกในความเป็นจริงมันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้ในบางกรณีที่เลียนแบบเงื่อนไขในเครื่องปฏิกรณ์ที่มนุษย์สร้าง. สิบห้าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติถูกค้นพบนับจนถึงวันนี้ในสามแหล่งสะสมแร่ที่อยู่ห่างกันที่เหมือง Oklo ในกาบอง, แอฟริกาตะวันตก. ค้นพบครั้งแรกในปี 1972 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฟรานซิส เพอร์ริน, พวกมันจะถูกเรียกรวมกันว่าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติฟอสซิล Oklo. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นยั่งยืนด้วยตนเองได้เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ประมาณ 1.5 พันล้านปีที่ผ่านมา, และทำงานไปได้ไม่กี่แสนปี, เฉลี่ย 100 กิโลวัตต์ของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น. แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติถูกสร้างเป็นทฤษฎีในช่วงต้นของปี 1956 โดยพอล คูโรดะที่มหาวิทยาลัยอาร์คันซอ.
เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวไม่สามารถสร้างได้บนโลกอีกต่อไปแล้ว: การสลายตัวของกัมมันตรังสีในช่วงเวลาอันยิ่งใหญ่นี้ได้ลดสัดส่วนของ U-235 ในยูเรเนียมธรรมชาติให้อยู่ต่ำกว่าปริมาณที่จำเป็นในการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืน. 
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อแหล่งสะสมแร่ที่อุดมด้วยยูเรเนียมถูกน้ำท่วม เนื่องจากน้ำบาดาลที่ทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน, และปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แข็งแกร่งเกิดขึ้น. น้ำที่เป็นตัวหน่วงจะเดือดเมื่อปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น, ทำให้เกิดการชะลอตัวหดตัวกลับลงอีกครั้งและป้องกันการหลอมสลาย. ปฏิกิริยาฟิชชันได้รับการรักษาให้ยั่งยืนมาหลายแสนปี. 
เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติเหล่านี้มีการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจในการกำจัดกากกัมมันตรังสี. พวกเขานำเสนอกรณีศึกษาของการที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถอพยพผ่านเปลือกโลกได้อย่างไร. เรื่องนี้เป็นพื้นที่ที่มีนัยสำคัญของความขัดแย้งในขณะที่ฝ่ายตรงข้ามของการกำจัดของเสียทางธรณีวิทยากลัวว่าไอโซโทปจากขยะที่เก็บไว้จะสิ้นสุดในแหล่งน้ำหรือกระจายออกไปในสภาพแวดล้อม