เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

บทความนี้เป็นบทความย่อยของพลังงานนิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์  เป็นอุปกรณ์ที่ก่อกำเนิดและควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่  อย่างยั่งยืน มันถูกนำมาใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้าและในการขับเคลื่อนเรือ ความร้อนจากนิวเคลียร์ฟิชชั่นถูกส่งไปให้กับของเหลว (น้ำหรือก๊าซ) ให้เป็นตัวทำงาน  ของเหลวความร้อนสูงจะไหลไปหมุนกังหันเพื่อหมุนใบพัดเรือหรือหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำที่สร้างโดยนิวเคลียร์ในหลักการสามารถนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรม หรือสำหรับให้ความร้อนชุมชน  เครื่องปฏิกรณ์บางเครื่องใช้ในการผลิตไอโซโทปสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรม หรือผลิตพลูโตเนียมสำหรับทำอาวุธ บางเครื่องก็ใช้สำหรับงานวิจัยเท่านั้น ทุกวันนี้มีประมาณ 450 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าในประมาณ 30 ประเทศทั่วโลก
กลไก.
บทความหลัก: กายภาพของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อน ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น
ฟิชชัน.
เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ 
เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน  และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน  สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลง หากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย
ตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันโดยทั่วไปประกอบด้วยน้ำธรรมดา (น้ำเบา) (เป็น 74.8% ของเครื่องปฏิกรณ์ของโลก), แท่งแกรไฟท์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก  (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) บางชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการทดลองจะใช้เบริลเลียม แต่ไฮโดรคาร์บอนก็ได้รับการแนะนำว่าเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง
การสร้างความร้อน.
แกนเครื่องปฏิกรณ์สร้างความร้อนได้หลายวิธี:
หนึ่งกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่แปลงผ่านกระบวนการนิวเคลียร์จะปล่อยพลังงานประมาณสามล้านเท่า มากกว่าหนึ่งกิโลกรัมของถ่านหินที่ถูกเผาแบบดั้งเดิม (7.2 × 1013 จูลต่อกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 เมื่อเทียบกับ 2.4 × 107 จูลต่อกิโลกรัมของถ่านหิน)
การระบายความร้อน.
ตัวหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - ปกติใช้น้ำ แต่บางครั้งใช้ก๊าซหรือโลหะเหลว (เช่นโซเดียมเหลว) หรือเกลือหลอมละลาย - ถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่จะสร้างออกมา. ความร้อนจะถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์และถูกนำมาใช้ในการสร้างไอน้ำ. ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบทำความเย็นที่แยกทางกายภาพ ออกจากน้ำที่จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันเช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง " แต่ในบางเครื่องปฏิกรณ์, น้ำสำหรับกังหันไอน้ำถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์, ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด 
การควบคุมการเกิดปฏิกิริยา.
บทความหลัก: การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, ความปลอดภัยนิวเคลียร์แบบไม่ตอบโต้, นิวตรอนที่ล่าช้า, หลุมไอโอดีน, SCRAM, และ ความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสี 
พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปรับโดยการควบคุมจำนวนนิวตรอนที่สามารถสร้าง fissions เพิ่มเติม
แท่งควบคุม  จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น
ในระดับแรกของการควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง, กระบวนการของการปล่อยนิวตรอนที่ล่าช้าจากจำนวนของไอโซโทปฟิชชันที่อุดมด้วยนิวตรอน เป็นกระบวนการทางกายภาพที่สำคัญ นิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้มีอยู่ประมาณ 0.65% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชั่น, กับส่วนที่เหลืออยู่ (ที่เรียกว่า "prompt neutron") ที่ถูกปล่อยออกทันทีเมื่อเกิดฟิชชัน ผลผลิตจากฟิชชั่นที่ผลิตนิวตรอนล่าช้ามีครึ่งชีวิตในการสลายตัวของพวกมัน โดยการปล่อยนิวตรอนที่หลากหลายจากมิลลิวินาทีจนถึงเวลาหลายนาที. การรักษาเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในโซนของห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่นิวตรอนล่าช้า เป็นสิ่ง'จำเป็น'เพื่อให้บรรลุสภาวะมวลวิกฤต, เปิดช่วงเวลาให้อุปกรณ์เครื่องกลหรือมนุษย์ผู้ประกอบการที่จะมีเวลาในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ใน "เวลาจริง"; มิฉะนั้นเวลาระหว่างความสำเร็จของวิกฤตและนิวเคลียร์หลอมละลายเป็นผลมาจากไฟกระชากแบบเอ็กโปเนนเชียลจากปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ปกติ, จะสั้นเกินไปที่จะยอมให้มีการแทรกแซง.
ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่น สูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน 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) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบ หรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย
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 burn-off (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชียร์โนบีล
เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ใน'การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล' (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือดำน้ำนิวเคลียร์) มักจะไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟต่อเนื่องตลอดเวลา ในลักษณะเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนบกที่ทำงานได้ตามปกติ และนอกจากนี้มักจะต้องมีอายุของแกนที่ยาวมากโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง. ด้วยเหตุผลนี้ การออกแบบจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมสมรรถนะสูง แต่รวม neutron poison ที่ใหม้ไฟได้ลงในแท่งเชื้อเพลิงโดยตรง. วิธีการนี้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถถูกสร้างด้วยส่วนเกินของวัสดุที่ฟิชชั่นได้, ซึ่งอย่างไรก็ดี ถูกทำให้ค่อนข้างปลอดภัยมากขึ้นในช่วงต้นของวงจรการเผาเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุที่ดูดกลืนนิวตรอน, ที่หลังจากนั้นมีการแทนที่ด้วย neutron poison อายุยาวที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติ (อายุยาวนานกว่าซีนอน-135 มาก) ซึ่งค่อยๆสะสมตลอดช่วงอายุการใช้งานโหลดเชื้อเพลิง
การผลิตพลังงานไฟฟ้า.
พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือ จะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า
เครื่องปฏิกรณ์ในช่วงต้น.
นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933 เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมา ขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้
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) แนะนำว่าการค้นพบของการฟิชชั่นของยูเรเนียมอาจนำไปสู่การพัฒนาของ "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) และยังมีการดำเนินการเพียงเล็กน้อยจากเจ้าหน้าที่ในรัฐบาลบางคน ที่ถูกกล่าวหาในตอนแรกว่ามีการเลื่อนโครงการไปข้างหน้า
ปีต่อมา รัฐบาลสหรัฐได้รับบันทึก Frisch-Peierls จากสหราชอาณาจักรที่ระบุว่าปริมาณของยูเรเนียม ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่จะต่ำกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้มาก 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
"โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก" ถูกอ้างสิทธ์โดยสัญลักษณ์ที่สถานที่ติดตั้งของ 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 ศิลปะทางการทูตแบบนี้นำไปสู่การแพร่กระจายของเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ให้กับสถาบันต่างๆของสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางพลเรือนคือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ AM-1 Obninsk, เปิดตัววันที่ 27 มิถุนายน 1954 ในสหภาพโซเวียต. มันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 5 เมกะวัตต์
หลังสงครามโลกครั้งที่สอง, ทหารสหรัฐขอใช้เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกิการอื่น ๆ 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
ส่วนประกอบ.
ส่วนประกอบที่สำคัญที่มีเหมือนกันหมดของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่คือ:
ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์.
การจำแนกประเภท.
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกจำแนกประเภทด้วยวิธีการหลายอย่าง. เค้าร่างสั้นๆของวิธีการจำแนกเหล่านี้ได้แก่:
การจำแนกประเภทโดยวัสดุตัวหน่วง.
ถูกใช้โดยเครื่องปฏิกรณ์ร้อน: 
การจำแนกประเภทโดยรุ่น.
"Gen IV" ถูกขนานนามโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) สำหรับการพัฒนารูปแบบโรงงานใหม่ในปี 2000. ในปี 2003 Commissariat à l'Énergie Atomique]] (CEA) ของฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่อ้างถึง Gen II ในวารสาร Nucleonics Week, การกล่าวขวัญครั้งแรกของ Gen III ก็เกิดขึ้นในปี 2000 ร่วมกับการเปิดตัวของแผน Generation IV International Forum (GIF)
เทคโนโลยีปัจจุบัน.
Pressurized water reactors (PWR).
เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้ถังความดันหนึ่งถังเพื่อใส่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แท่งควบคุม, ตัวหน่วง, และตัวหล่อเย็น. การระบายความร้อนและการหน่วงจะใช้น้ำของเหลวแรงดันสูง น้ำความร้อนสูงที่มีกัมมันตรังสีที่ถูกปล่อยออกจากถังความดัน จะไหลเวียนผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำซึ่งจะส่งผ่านความร้อนไปให้วงน้ำที่สอง (ที่ไม่มีกัมมันตรังสี) เพื่อหมุนกังหัน. พวกมันเป็นส่วนใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบัน นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, รุ่นใหม่ล่าสุดคือ VVER-1200 ซึ่งเป็น'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำขั้นสูง'และ'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันยุโรป' 'เครื่องปฏิกรณ์นาวีสหรัฐอเมริกา' ก็เป็นประเภทนี้ 
Boiling water reactors (BWR).
BWR เป็นเหมือน PWR ที่ไม่มีเครื่องกำเนิดไอน้ำ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดจะถูกหล่อเย็นและถูกหน่วงด้วยน้ำเหมือน PWR แต่ด้วยความดันที่ต่ำกว่าซึ่งจะยอมให้น้ำไปต้มภายในถังความดันเพื่อผลิตไอน้ำที่ขับกังหัน แตกต่างจาก PWR, มันไม่มีวงน้ำแรกและวงน้ำที่สอง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะสามารถทำให้สูงกว่าและง่ายกว่า และแม้แต่ยังอาจมีเสถียรภาพมากกว่าและปลอดภัยกว่าอีกด้วย นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, ที่ใหม่ล่าสุดเป็น 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง' และ 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดง่ายและประหยัด' 
Pressurised heavy water reactor (PHWR).
การออกแบบแคนาดา (เรียกว่า CANDU) เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำที่ระบายความร้อนและหน่วงปฏิกิริยาด้วยน้ำหนัก . แทนที่จะใช้ถังความดันขนาดใหญ่ถังเดียวอย่างใน PWR, เชื้อเพลิงจะถูกเก็บอยู่ในท่อความดันหลายร้อยท่อ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติและเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน PHWRs สามารถเติมเชื้อเพลิงในขณะทำงานเต็มที่ซึ่งทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพการใช้ยูเรเนียมสูงมาก (มันช่วยในการควบคุมฟลักซ์ในแกนที่แม่นยำ) PHWRs CANDU มีการสร้างขึ้นในแคนาดา, อาร์เจนตินา, จีน, อินเดีย, ปากีสถาน, โรมาเนียและเกาหลีใต้ อินเดียก็ยังทำงานกับ PHWRs จำนวนมากที่มักจะเรียกมันว่า 'อนุพันธ์ของ CANDU' ที่ถูกสร้างขึ้นหลังจากที่รัฐบาลของแคนาดาหยุดการติดต่อนิวเคลียร์กับอินเดีย หลังจากโครงการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ 'ยิ้มพระพุทธ'ปี 1974
Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (เครื่องปฏิกรณ์ช่องทางกำลังสูง) (RBMK).
ออกแบบโดยสหภาพโซเวียต, ถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตพลูโตเนียมเช่นเดียวกับเพื่อพลังงาน RBMKs จะระบายความร้อนด้วยตัวหน่วงแกรไฟท์ ในบางลักษณะของRBMKs จะคล้ายกับ CANDU ในการที่พวกมันจะสามารถเติมเชื้อเพลิงใหม่ระหว่างการดำเนินการผลิตพลังงาน และมีการติดตั้งท่อความดันแทนถังความดันแบบ PWR อย่างไรก็ตาม, ไม่เหมือนกับ CANDU พวกมันมีความไม่เสถียรและมีขนาดใหญ่ ทำให้อาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของพวกมันมีราคาแพง ข้อบกพร่องด้านความปลอดภัยที่วิกฤตเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในการออกแบบของ RBMK, แม้ว่าบางส่วนของข้อบกพร่องเหล่านี้ได้รับการแก้ไขหลังจากภัยพิบัติเชียร์โนบีล จุดน่าสนใจหลักของพวกมันคือการใช้งานของน้ำเบาและยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะ ในปี 2010, 11 เครื่องยังคงเปิดใช้งาน, ส่วนใหญ่เนื่องจากการปรับปรุงความปลอดภัยและความช่วยเหลือจากหน่วยงานความปลอดภัยระหว่างประเทศเช่น DOE แม้จะมีการปรับปรุงความปลอดภัยเหล่านี้, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ก็ยังถือว่าเป็นหนึ่งในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่อันตรายที่สุดในการใช้งาน เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ถูกนำไปใช้เฉพาะในอดีตสหภาพโซเวียต
Gas-cooled reactor (GCR) and advanced gas-cooled reactor (AGR).
เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ทั่วไปจะใช้ตัวหน่วงแบบแกรไฟท์และหล่อเย็นด้วย CO2 พวกมันสามารถมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่สูงเมื่อเทียบกับ PWRs เนื่องจากพวกมันใช้อุณหภูมิในการดำเนินงานที่สูงกว่า มีเครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากที่มีการใช้งานอยู่, ส่วนใหญ่อยู่ในสหราชอาณาจักร, ในที่ซึ่งแนวคิดของการออกแบบได้รับการพัฒนาที่นั่น การออกแบบที่มีอายุมากกว่า (เช่นสถานี Magnox) อาจจะปิดตัวลงในอนาคตอันใกล้ อย่างไรก็ตาม AGCRs คาดว่าจะมีอายุใช้งานได้ต่อไปอีก 10 ถึง 20 ปี การออกแบบเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน ค่าใช้จ่ายในการรื้อถอนอาจสูงมากเนื่องจากแกนของเครื่องปฏิกรณ์มีปริมาตรขนาดใหญ่
เครื่องปฏิกรณ์ Fast breeder โลหะของเหลว .
นี้คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยโลหะของเหลว, ไม่มีการหน่วงโดยสิ้นเชิง, และผลิตเชื้อเพลิงได้มากกว่าที่มันบริโภคเข้าไป เรียกได้ว่าพวกมัน "ให้กำเนิด " เชื้อเพลิงเพราะพวกมันผลิตเชื้อเพลิงที่สามารถทำฟิชชั่นได้ระหว่างการดำเนินการโดยการจับนิวตรอน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถทำงานได้เหมือน PWR ในแง่ของประสิทธิภาพและไม่จำเป็นต้องมีภาชนะบรรจุที่มีแรงดันสูงมาก เนื่องจากโลหะของเหลวไม่จำเป็นต้องถูกเก็บไว้ที่ความดันสูงแม้แต่ที่อุณหภูมิสูงมาก เครื่องปฏิกรณ์ BN-350 และ BN-600 ในสหภาพโซเวียตและ Superphénix ในประเทศฝรั่งเศสเป็นเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้, เช่นเดียวกับ Fermi-I ในสหรัฐอเมริกา เครื่องปฏิกรณ์ Monju ในประเทศญี่ปุ่นประสบปัญหาการรั่วไหลของโซเดียมในปี 1995 และได้รับการเริ่มเดินเครื่องใหม่ในเดือนพฤษภาคม 2010 พวกมันทั้งหมดใช้ / เคยใช้โซเดียมเหลว เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้เป็นแบบนิวตรอนเร็ว, ไม่ใช่แบบนิวตรอนร้อน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีสองประเภท ได้แก่: 
หล่อเย็นด้วยตะกั่ว.
ตะกั่วเป็นโลหะเหลวที่ป้องกันรังสีได้ดีมากและช่วยให้สามารถดำเนินงานที่อุณหภูมิสูงมาก นอกจากนี้ ตะกั่ว (ส่วนใหญ่) จะโปร่งใสกับนิวตรอน, ดังนั้น มีนิวตรอนน้อยมากที่จะหายไปในตัวหล่อเย็นและตัวหล่อเย็นก็ไม่เป็นกัมมันตรังสี แตกต่างจากโซเดียม, ตะกั่วส่วนใหญ่จะเฉื่อย, จึงมีความเสี่ยงน้อยลงจากการระเบิดหรืออุบัติเหตุ, แต่ปริมาณมากขนาดนั้นอาจจะนำไปสู่ปัญหาจากพิษวิทยาและในมุมมองของการกำจัด บ่อยครั้งที่เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้จะใช้สารผสมตะกั่วบิสมัทยูเทคติก ในกรณีนี้บิสมัทจะนำเสนอปัญหารังสีส่วนน้อยบางอย่าง, เนื่องจากมันค่อนข้างจะไม่โปร่งใสกับนิวตรอน, และสามารถแปรไปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีมากขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าตะกั่ว เรือดำน้ำชั้นอัลฟ่าของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์รวดเร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่วบิสมัท เป็นโรงงานพลังงานหลักของมัน
หล่อเย็นด้วยโซเดียม.
LMFBRs ส่วนใหญ่จะเป็นประเภทนี้ โซเดียมค่อนข้างหาได้ง่ายและทำงานด้วย และก็ยังป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนจริงในส่วนเครื่องปฏิกรณ์ต่าง ๆ ที่แช่อยู่ในตัวมัน อย่างไรก็ตาม โซเดียมระเบิดอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับน้ำ, ดังนั้นต้องระมัดระวัง, แต่การระเบิดดังกล่าวจะไม่มีความรุนแรงมากไปกว่า (ตัวอย่าง) การรั่วไหลของของเหลวที่ร้อนอย่างมากจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำวิกฤตยิ่งยวด  หรือ PWR EBR-I, เครื่องปฏิกรณ์ตัวแรกที่หลอมละลาย, จะเป็นประเภทนี้
เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด .
เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ใช้เชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปเป็นลูกกลมเซรามิกและจากนั้นก็หมุนเวียนแก๊สผ่านลูก บอลเหล่านี้ ผลที่ได้คือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ, การบำรุงรักษาต่ำ, ปลอดภัยมากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงมาตรฐานราคาถูก ต้นแบบเป็น AVR 
เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย.
เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้จะละลายเชื้อเพลิงในเกลือฟลูออไรด์, หรือใช้เกลือฟลูออไรด์เป็นตัวหล่อเย็น มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยจำนวนมาก, มีประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นพลังงานสูงเหมาะสำหรับยานพาหนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกมันไม่มีความกดดันสูงหรือส่วนประกอบที่ติดไฟได้ง่ายในแกน ต้นแบบเป็น Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) ซึ่งยังใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงของทอเรียมในการผลิต 0.1% ของกากกัมมันตรังสีของเครื่องปฏิกรณ์มาตรฐาน
เครื่องปฏิกรณ์ของเหลวเนื้อเดียวกัน .
เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เกลือนิวเคลียร์ละลายน้ำได้ ที่ละลายลงในน้ำและผสมกับตัวหล่อเย็นและตัวหน่วงนิวตรอน 
อนาคตและเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา.
เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูง.
มากกว่าหนึ่งโหลของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงยังอยู่ในขั้นตอนต่าง ๆ ของการพัฒนา บางตัวมีวิวัฒนาการจากการออกแบบ PWR, BWR และ PHWR ข้างต้น, บางตัวแหวกแนวออกไป แบบเก่าได้แก่เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง , สองตัวในจำนวนนั้นขณะนี้กำลังดำเนินงานขณะที่ตัวอื่น ๆ อยู่ระหว่างการก่อสร้าง, และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดอย่างง่ายแบบประหยัด  ที่มีความปลอดภัยแบบพาสซีฟ  และหน่วย AP1000 ที่ถูกวางแผนไว้ (ดูโครงการพลังงานนิวเคลียร์ 2010) 
เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่สี่.
เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV เป็นชุดหนึ่งของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทางทฤษฎีที่กำลังมีการวิจัยในขณะนี้ การออกแบบเหล่านี้ทั่วไปมักจะไม่คาดว่าจะสามารถใช้ได้สำหรับการก่อสร้างเชิงพาณิชย์ก่อนปี 2030. เครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบันที่อยู่ในการดำเนินงานทั่วโลกโดยทั่วไปมีการพิจารณาว่า เป็นระบบรุ่นที่สองหรือที่สามโดยที่ระบบรุ่นแรกได้รับการปลดระวางไปก่อนหน้านี้แล้ว การวิจัยสำหรับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ได้เริ่มต้นอย่างเป็นทางการโดย Generation IV International Forum (GIF) ตามพื้นฐานของเป้าหมายเทคโนโลยีแปดอย่าง เป้าหมายเบื้องต้นก็คือเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของนิวเคลียร์, ปรับปรุงความต้านทานการแพร่ขยาย, ลดของเสียและเพิ่มการใช้ประโยชน์ในทรัพยากรธรรมชาติ และเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการสร้างและการดำเนินงานของโรงงานดังกล่าว
เครื่องปฏิกรณ์รุ่น 5+.
เครื่องปฏิกรณ์ Generation V มีการออกแบบที่มีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎีและยังไม่ได้รับการพิจารณาหรือการวิจัยอย่างจริงจังในปัจจุบัน แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวอาจจะสร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันหรือในระยะใกล้, พวกมันได้เรียกความสนใจได้เล็กน้อยด้วยหลายเหตุผลทางเศรษฐศาสตร์, การปฏิบัติจริง, หรือความปลอดภัย 
เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น.
นิวเคลียร์ฟิวชันที่ถูกควบคุม ในหลักการสามารถที่จะนำมาใช้ในโรงไฟฟ้าฟิวชั่น ในการผลิตไฟฟ้าโดยไม่มีความซับซ้อนของการจัดการพวก actinides ทั้งหลาย, แต่อุปสรรคทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่สำคัญยังคงอยู่ หลายเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นได้รับการสร้างขึ้น แต่ยังไม่มีสักเครื่องที่สามารถ 'ผลิต' พลังงานความร้อนได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคเข้าไป แม้จะมีการวิจัยที่มีการเริ่มต้นในปี 1950s, ไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ที่คาดว่าจะทำสำเร็จก่อนปี 2050 โครงการ ITER ขณะนี้กำลังพยายามที่จะนำพลังงานฟิวชั่นไปใช้ทางการค้า 
วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์.
เครื่องปฏิกรณ์ร้อนโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับยูเรเนียมที่ถูกกลั่นและเสริมสมรรถนะ บางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถทำงานด้วยส่วนผสมของพลูโตเนียมและยูเรเนียม (ดู) กระบวนการที่แร่ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมา, ผ่านกระบวนการผลิต, เสริมสมรรถนะ, ถูกนำไปใช้งาน, อาจจะถูกแปรสภาพและจำหน่ายทิ้งไป, เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ 
น้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติเป็นไอโซโทปของ U-235 ที่สามารถทำปฏิกิริยาฟิชชั่นได้อย่างง่ายดาย และด้วยเหตุนี้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะสูง สมรรถนะที่สูงนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนเปอร์เซ็นต์ของ U-235 และมักจะถูกทำด้วยวิธีการของการแตกตัวของแก๊ส  หรือ การเหวี่ยงแก๊สเข้าสู่ศูนย์กลาง ผลที่ได้จากการเสริมสมรรถนะจะถูกส่งต่อไปเปลี่ยนให้เป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์, ซึ่งจะถูกกดและยิงให้อยู่ในรูปแบบเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันเป็นหลอด ๆ แล้วจะถูกปิดผนึกซึ่งจะเรียกมันว่าแท่งเชื้อเพลิง  หลายแท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้จะถูกใช้ในแต่ละเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 
เครื่องปฏิกรณ์ BWR และ PWR เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะที่ประมาณ 4% ของ U-235, และเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์บางเครื่องที่มีนิวตรอนเศรษฐกิจ  สูงไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะเลย (นั่นคือพวกมันสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้) จากข้อมูลสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ, มีอย่างน้อย 100 เครื่องปฏิกรณ์วิจัยในโลกใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะสูง (weapons-grade / ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 90%) ความเสี่ยงจากการขโมยน้ำมันเชื้อเพลิงนี้ (อาจใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์) ได้นำไปสู่แคมเปญการสนับสนุนการแปลงของประเภทของเครื่องปฏิกรณ์นี้ให้เป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (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 เป็นเชื้อเพลิงทำงานได้และต้องมีหน้าที่รับผิดชอบ แม้ว่าเมื่อเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาใช้ การฟิชชั่นของพลูโตเนียมจะมีอิทธิพลเหนือการฟิชชั่นของ U-235 ในเครื่องปฏิกรณ์บางตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจาก U-235 ที่ถูกจ่ายให้ตอนแรกถูกนำไปใช้แล้ว พลูโตเนียมสามารถฟิชชั่นได้ทั้งแบบนิวตรอนเร็วและนิวตรอนร้อน ซึ่งทำให้มันเหมาะสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์ 
การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและมักจะใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (ตัวหน่วงหมายความว่ามันหน่วงความเร็วของนิวตรอนให้ช้าลงที่ความเร็วของความร้อน) และใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็น. แต่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้ตัวหล่อเย็นเป็นอย่างอื่นซึ่งจะไม่ได้หน่วงหรือทำให้นิวตรอนช้าลงมากนัก นี่ทำให้นิวตรอนเร็วเหนือกว่า, ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเติมเต็มการจัดหาน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง โดยเพียงแค่วางยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะและราคาถูกลงไปในแกนเช่นนั้น, U-238 ที่ไม่สามารถฟิชชั้นได้ก็จะกลายเป็น Pu-239, เป็นการ"ออกลูก" เชื้อเพลิง 
ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งแบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสูญสลายแบบบีตาไปเป็นโพรแทกทิเนียม-233 แล้วก็เป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจะถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ดังนั้น เหมือนยูเรเนียม 238 ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์  ตัวหนึ่ง
การจ่ายเชื้อเพลิงให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์.
ปริมาณของพลังงานในอ่างเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกแสดงบ่อยครั้งในแง่ของ "วันเต็มกำลัง"  ซึ่งเป็นจำนวนของระยะเวลา 24 ชั่วโมง (วัน) ที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวหนึ่งได้ถูกกำหนดตารางเวลาไว้สำหรับการดำเนินงาน ที่จะสามารถส่งออกพลังงานได้เต็มกำลังในการสร้างพลังงานความร้อน จำนวนวันเต็มกำลังในรอบการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ (ระหว่างเวลาเติมน้ำมันครั้งหนึ่งจนถึงเติมน้ำมันครั้งต่อไป) จะเกี่ยวข้องกับปริมาณของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่ฟิชชั่นได้ที่เก็บอยู่ในแท่งเชื้อเพลิงที่จุดเริ่มต้นของวงจร เปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของ U-235 ในแกนที่จุดเริ่มต้นของวงจรจะยอมให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้นานวันเต็มกำลังมากขึ้น 
ในตอนท้ายของรอบการดำเนินงาน, เชื้อเพลิงในบางส่วนของแท่งจะถูก "ใช้" และถูกระบายออกไปและถูกแทนที่ด้วยแท่งเชื้อเพลิงใหม่(สด), แม้ว่าในทางปฏิบัติมันเป็นสาร buildup ของพิษจากปฏิกิริยา  ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำหนดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ นานก่อนที่การฟิชชั่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเกิดขึ้นได้, ตัว buildup ของนิวตรอนอายุยาวที่ดูดซับผลพลอยได้จากฟิชชันจะขัดขวางปฏิกิริยาลูกโซ่ ส่วนย่อยของแกนเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเปลี่ยนในระหว่างการเติมเชื้อเพลิง โดยปกติจะเป็นหนึ่งในสี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด และเป็นหนึ่งในสามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ การจำหน่ายทิ้งและการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนี้ เป็นหนึ่งในด้านที่ท้าทายที่สุดของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ กากนิวเคลียร์นี้เป็นกัมมันตรังสีที่สูงและความเป็นพิษของมันจะเป็นอันตรายนับพัน ๆ ปี.
ไม่ใช่ทุกเครื่องปฏิกรณ์จะต้องปิดตัวลงเพื่อเติมเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวด, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK, เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย, Magnox, AGR และ CANDU ยอมให้เชื้อเพลิงได้รับการเลื่อนผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่มันกำลังทำงานอยู่ ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU กระบวนการนี้ยังยอมให้องค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละส่วนที่จะติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะที่สุดกับปริมาณของ U-235 ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง 
ปริมาณของพลังงานที่สกัดจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเรียกว่า burnup ซึ่งจะแสดงในแง่ของพลังงานความร้อนที่ผลิตต่อหน่วยน้ำหนักเริ่มต้นของน้ำหนักเชื้อเพลิง Burnup ทั่วไปจะถูกแสดงเป็นความร้อนเมกะวัตต์วันต่อเมตริกตันของโลหะหนักเริ่มต้น
ความปลอดภัย.
ความปลอดภัยนิวเคลียร์ครอบคลุมการดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสี หรือเพื่อจำกัดผลกระทบของพวกมัน อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ได้มีการปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์, และได้นำเสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ที่ปลอดภัย (แต่โดยทั่วไปยังไม่ทดลอง) แต่ไม่มีการรับประกันว่าเครื่องปฏิกรณ์จะได้รับการออกแบบ, สร้างและดำเนินการอย่างถูกต้องหรือไม่ ข้อผิดพลาดก็เกิดขึ้นจริง และนักออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ฟูกูชิม่าในประเทศญี่ปุ่นไม่ได้คาดว่า คลื่นสึนามิที่เกิดจากแผ่นดินไหวจะปิดการใช้งานระบบสำรอง ที่ควรจะรักษาเสถียรภาพให้กับเครื่องปฏิกรณ์หลังเกิดแผ่นดินไหว ตามที่ UBSAG, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ของเครื่องฟูกูชิม่า I ได้สร้างความสงสัยว่า แม้แต่ประเทศเศรษฐกิจก้าวหน้าอย่างญี่ปุ่นจะสามารถควบคุมความปลอดภัยนิวเคลียร์ได้หรือไม่ สถานการณ์ภัยพิบัติที่เกี่ยวข้องกับการโจมตีของผู้ก่อการร้ายนี้ก็ยังเป็นไปได้ ทีมสหวิทยาการจากเอ็มไอทีได้คาดการณ์ว่าถ้าการเจริญเติบโตของพลังงานนิวเคลียร์ในช่วงปี 2005-2055 เป็นไปตามแผน, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ร้ายแรงคาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างน้อย 4 ครั้งในช่วงเวลานั้น
อุบัติเหตุ.
ดูเพิ่มเติม: รายการของเหตุการณ์ภัยพิบัติทางนิวเคลียร์และกัมมันตรังสี 
 
อุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีที่บางครั้งร้ายแรงได้เกิดขึ้น อุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เรียงตามยอดผู้เสียชีวิตรวมถึงภัยพิบัติเชียร์โนบีล (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.
แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นมักจะถุกคิดว่า เป็นผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีที่ทันสมัยแต่เพียงอย่างเดียว 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 
เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติเหล่านี้มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจในการกำจัดกากกัมมันตรังสี พวกเขานำเสนอกรณีศึกษาของการที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถอพยพผ่านเปลือกโลกได้อย่างไร เรื่องนี้เป็นพื้นที่ที่มีนัยสำคัญของความขัดแย้ง ในขณะที่ฝ่ายตรงข้ามของการกำจัดของเสียทางธรณีวิทยากลัวว่า ไอโซโทปจากขยะที่เก็บไว้จะสิ้นสุดในแหล่งน้ำหรือกระจายออกไปในสภาพแวดล้อม