Hyötöreaktori
Nopean hyötöreaktorin toimintaperiaate

Siinä, missä muissa ydinreaktoreissa fission todennäköisyyttä kasvatetaan hidastamalla fissiossa vapautuvia neutroneja sopivalla väliaineella, kuten vedellä, nopeissa reaktoreissa tarvittavan suuri määrä fissioita varmistetaan käyttämällä väkevämpää polttoainetta, jossa fissiilejä, eli halkeavia ytimiä on riittävän tiheässä ketjureaktion ylläpitämiseksi. Tällä myös yritetään välttää fissiomateriaalin hukkaa, joka syntyy joidenkin ytimien pelkästään absorboidessa hitaat neutronit. Reaktorin nimi tulee nimenomaan nopeista, hidastamattomista neutroneista.
Reaktorin jäähdytykseen ja samalla lämpöenergian siirtämiseen käytetään nesteytettyä kaasua tai alhaisen sulamispisteen omaavan metallisuolan liuosta, jolla on pieni hidastavuusvaikutus ja hyvä lämmönsiirtokyky. Ylivoimaisesti yleisin on tähän asti ollut natrium, jolla on erinomainen lämmön kuljetus- ja varastointikyky, mutta myös lyijy-vismutti-seoksen ja puhtaan lyijyn käyttöä tutkitaan. Fissiota hallitaan normaaliin tapaan säätösauvoilla.
Hyötöreaktorin suurin etu on sen kyky hyödyntää esimerkiksi uraanin niitä isotooppeja, jotka eivät kykene ylläpitämään fissiota. Tämä perustuu transmutaatioon, eli alkuaineen muuttumiseen toiseksi neutronikaappauksen seurauksena. Uraanin fissiiliä isotooppia U-235 huomattavasti yleisempi on halkeamiskelpoinen eli fissioituva, mutta ei fissiili U-238, joka ei itsessään kykene ylläpitämään ketjureaktiota. Sen sijaan nopeilla neutroneilla säteilytettäessä U-238 muuttuu neptunium-239:ksi, joka muuttuu plutonium-239:ksi beetahajoamisen seurauksena. Plutonium-239 on fissiili ja käy siis ydinpolttoaineeksi tai ydinaseisiin. Prosessi on niin tehokas, että uutta plutoniumia syntyy uraanista enemmän, kuin mitä sitä kuluu neutronien ja energian tuottamiseen(?). Hyötämisestä puhutaan, kun ei fissiilistä, mutta kuitenkin fertiilistä (ydinpoltto-)aineesta (kuten 238U tai 232Th) tehdään fissiiliä polttoainetta esim. neutronikaappauksen eli absorption keinoin ja näin syntynyttä ydinpolttoainetta käytetään osana ketjuprosessia ja energian tuottoon. Hyötöreaktorin käynnistämiseen siis riittää tietty määrä fissiiliä polttoainetta, minkä jälkeen rektoria voidaan "tankata" vain fertiilillä polttoaineella.
U-235:n ohella mahdollisia hyötöreaktorissa käytettäviä ”lähtöaineita” ovat U-238 (→Pu-239), torium-232 (→U-233), ja Pu-240 (→Pu-241). Normaalissa termisessä eli hitaassa kevytvesireaktorissa polttoaineen 95-97 % sisältävästä U-238:sta voidaan hyödyntää vain alle 1 %. Nopeassa reaktorissa jopa 70 %. U-238:n ja Th-232:n ollessa luonnossa huomattavasti yleisempiä, hyöty on ilmeinen.
Pääasiallisesti kiinteän U-238-polttoaineen käyttöön tarkoitetun, nopeaan hyötöreaktoriin liittyviä ongelmia ovat muun muassa jäähdytysaineen hankalat ominaisuudet (esimerkiksi natrium syttyy palamaan joutuessaan kosketuksiin veden kanssa), reaktorissa oleva suuri määrä plutoniumia ja hallitsemattoman ketjureaktion mahdollisuus(?).
Th-232-polttoaineenaan käyttävässä termisessä eli hitaassa ns. sulasuola-hyötöreaktorissa (MSR, engl. molten salt reactor) vastaavia ongelmia ei ole koska polttoaine on valmiiksi nestemäinen, sulanut suolaliuos (esim. LiF-BeF2-ThF4-UF4.), mikä ei myöskään vaadi jäähdytysaineita tai raskasta ja kallista paineastiaa, vaan toimii itsessään lämmönkuljettajan roolissa. Koska suolan kiehumispiste ylittää reaktorin käyttölämpötilan, reaktori toimii ilmakehän paineessa. Laitoksen aktiivisella alueella ei voi tapahtua höyrypaineräjähdyksiä. Suola ei missään olosuhteissa syty palamaan, eikä reaktorin polttoaine voi sulaa koska se on jo sulassa muodossa.