原子核反應爐（又稱原子反應堆或核反應爐）的簡稱。它通常是指使易裂變物質（核燃料）在可控條件下進行自持的核裂變鏈式反應的裝置，即裂變反應堆。此外，人們也把可控核聚變裝置稱為聚變反應堆。易裂變物質的一個核在一個中子轟擊下分裂成兩個不同的核（裂變碎片），放出2～3個中子和約200兆電子伏的能量，這種現象叫裂變。裂變時放出的中子可再引起核裂變，形成鏈式反應。在反應堆中，各種結構的材料的組合，使裂變反應的速率維持在所需的水準並受到精確的控制，同時裂變能以熱能的形式有有效地傳出。反應堆還是一個巨大的中子源；又由於裂變時放出γ射線及裂變產物是β、γ放射性核素，它也是一個巨大的輻射源。為瞭保證安全，反應堆外圍有足夠的屏蔽層，還有其他防止放射性物質泄漏的嚴密設施。（見彩圖）
反應堆核燃料組件
簡史 建於美國芝加哥大學的世界上第一座反應堆於1942年12月2日達到臨界狀況，實現瞭可控自持的鏈式反應。它由6噸金屬鈾、50噸氧化鈾、400噸石墨（慢化劑）及鎘控制棒組成。由於實現可控的鏈式裂變反應有多種方案，迄今已發展瞭多種形式、不同用途的反應堆，功率從不到1千瓦到幾吉瓦。利用核裂變能發電，是目前反應堆最重要的用途。已用於核電站的大型反應堆的類型在十種以上，每座反應堆的功率(電)可達1吉瓦。1986年底，全世界功率（電）大於30兆瓦的核電站反應堆正在運行的有377座，在建、已訂貨或建成未運行的有176座，總計553座，總功率（電）超過428吉瓦。
構成 反應堆由核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制棒及熱交換回路等構成（見圖）。
核燃料和慢化劑 核裂變時放出的中子，其能量高達2兆電子伏的，叫做快中子，它通過與周圍核碰撞而慢化。引入重水、普通(輕)水、石墨、鈹、有機物等輕物質能使慢化過程效率提高，這類輕物質叫做慢化劑。為瞭減少中子損失，慢化劑的中子吸收截面必須很低。中子慢化到與環境溫度平衡時叫做熱中子，熱中子引起核裂變的幾率大大增加，因此大多數反應堆都用慢化劑把中子慢化成熱中子，這種反應堆叫做熱中子反應堆。輕水和重水都是優良的慢化劑，但重水的中子吸收截面隻有輕水的1/500。
隨著核燃料中易裂變物質的濃度和量的增加，高能量的中子也能維持裂變鏈式反應。不用慢化劑的反應堆叫做快中子反應堆。
隻有鈾233、鈾235和钚239三種易裂變核素可用作核燃料。金屬鈾易發生輻射損傷，在反應堆中使用壽命較短，隻能做低燃耗的元件，做成鈾鋯或鈾鉬合金可使核燃料的耐輻照性能得到改善。氧化鈾的耐輻照性能好，高溫下穩定，已獲得廣泛的應用，缺點是導熱性較差。其他陶瓷材料如碳化鈾等是正在發展中的新型核燃料元件材料。钚239是鈾238俘獲中子後的產物，用钚239做反應堆燃料尚處於初始階段，目前主要是和鈾238一起使用，常見的形式是混合氧化物PuO2+UO2。和钚239一樣，鈾233在自然界不存在，它由釷232俘獲中子生成。由於鈾233的核性質優良及自然界釷資源豐富，人們對用鈾233作核燃料頗感興趣，但這種釷－鈾核燃料循環尚處於研究階段。
一定化學形態的核燃料在反應堆中使用時，在大多數情況下要做成具有確定物理性質和外形的燃料芯塊，封裝在金屬包殼中，構成燃料元件棒，常見的是細長圓柱體，如壓水動力反應堆的元件棒直徑約1厘米，長約3.8米。元件棒組裝成棚格形式的元件組件，按一定的佈置構成反應堆的堆芯。慢化劑佈置在元件棒之間。在這種情況下，燃料（有時還有慢化劑）和冷卻劑分別處於不同的相中，它們的配置是不均勻的，這種反應堆叫做非均勻反應堆。燃料與冷卻劑或與冷卻劑和慢化劑混成一個流體均勻配置的反應堆，叫做均勻反應堆。
冷卻劑 核裂變放出的能量主要被裂變碎片以動能形式帶出，通過碎片的碰撞減速，以熱能釋放。其他輻射能也轉變成熱能。流經堆芯的冷卻劑把熱帶出並通過熱交換器傳給另一傳熱介質後再循環回堆芯，構成反應堆的熱交換回路。冷卻劑必須是中子吸收截面低的物質，並具有良好的傳熱和流動性。
水是良好的冷卻劑，在第一座生產反應堆中就已使用，至今仍是大多數動力反應堆采用的冷卻劑。以水為冷卻劑的反應堆稱水反應堆。用水作冷卻劑的嚴重限制是它的蒸氣壓高。在動力堆中，可將壓力保持在約150大氣壓，這樣，300℃時水仍不沸騰，這種反應堆叫做壓水堆；另一種反應堆內壓力保持在70大氣壓，因而水沸騰成蒸汽，這種反應堆叫做沸水堆。在這兩種堆中水既是冷卻劑又是慢化劑。
與液體相比，氣體由於密度低而傳熱性較差，但可通過增加壓力加以改善，以氣體為冷卻劑的反應堆稱氣冷反應堆或氣冷堆。氦氣是最常用的氣體冷卻劑，它化學上是惰性的，熱力學性質和核性質都好，已在高溫氣冷堆中使用。二氧化碳則在某些溫度較低的氣冷堆中使用。
液態金屬，特別是液態堿金屬有極好的傳熱性，而且在動力堆運行溫度下蒸氣壓很低。其中鈉是最常用的冷卻劑，因為它的熔點較低(97.81℃)，容易獲得，它的核性質對於快中子反應堆特別合適，但它的化學性質活潑，遇水時反應劇烈，在使用中必須特別註意。
熔鹽（如混合氟鹽）和有機物（如三聯苯）等都曾考慮用作反應堆的冷卻劑。
結構材料和包殼材料 反應堆的堆芯（有時包括慢化劑）放在裝有冷卻劑的反應堆容器中。在高壓反應堆中，這個容器是一個厚壁的壓力殼。容器外圍是屏蔽層、其他部件和安全殼。
反應堆系統用的結構材料必須有合適的核性質和物理性質，並且與冷卻劑在運行條件下相容。常用的結構材料有鋁、不銹鋼和鋯合金，鋁廣泛用於低溫反應堆而鋯合金及不銹鋼廣泛用於高溫反應堆。厚壁壓力容器一般用碳鋼制造，內壁襯有不銹鋼以符合抗腐蝕的要求。
包殼用來隔開核燃料和冷卻劑，以避免它們間的化學作用和防止放射性物質的外泄。包殼材料必須同時與燃料和冷卻劑相容，並具有良好的核性質，其中最主要的是中子吸收截面要小。鋁和鋯合金分別是低溫水堆和高溫水堆的核燃料包殼材料，不銹鋼則用作快中子反應堆的核燃料包殼材料。
控制棒 反應堆靠提出或插入控制棒來控制鏈式反應的速率。控制棒由高中子吸收截面的材料（鎘、硼、銦、釓等）制成，由自動控制系統對其位置實現精密的調節。把控制棒由堆芯提出時，堆芯反應性增高；相反則反應性降低；全部插入時可使鏈式反應完全停止。
分類 根據用途，反應堆可以分成以下幾大類：
生產反應堆 用來生產軍用钚。它以天然鈾作燃料，石墨或重水作慢化劑，普通水或氣體作冷卻劑。有的生產反應堆也用來從鋰制造用於熱核武器的氚。
動力反應堆 用來推動船隻、潛艇和發電，供熱等。現有的動力反應堆主要是壓水堆和沸水堆──統稱為輕水堆。其他還有重水堆、氣冷堆和快中子堆等。各種動力反應堆的基本情況見表。其中高溫氣冷堆和鈉冷快中子堆屬於先進的堆型。高溫氣冷堆可提供750℃以上的高溫作為化學工業和冶金工業的熱源，當它采用鈾233作燃料，釷232作轉換材料時，可以做到或接近做到熱中子增殖。鈉冷快中子堆是已經在工業規模上驗證瞭的增殖反應堆，它用钚作燃料，鈾238作增殖材料，生成多於消耗量的钚。它的投入運行將大大提高天然鈾的利用率，使得從已探明的鈾資源中可獲得的能量遠高於全部化石燃料的能量。
各種動力反應堆的基本情況
研究反應堆 用來進行核反應、射線屏蔽、材料試驗、固體物理、輻射化學、生命科學等方面的研究，同時可以生產放射性同位素。這種反應堆主要有：①用低濃縮鈾作燃料，輕水作慢化劑的反應堆；②用天然鈾或低濃縮鈾作燃料，重水作慢化劑的反應堆；③用天然鈾或低濃縮鈾作燃料，石墨作慢化劑，空氣冷卻的反應堆；④用高濃縮鈾作燃料的高通量中子反應堆等。
聚變反應堆和聚變－裂變混合反應堆 除瞭上述利用重核裂變獲取能量的裂變反應堆外，還有利用輕核聚變獲取能量的核能裝置──聚變反應堆。可以利用的聚變反應有氘－氘反應(D+D─→3He+n+3.25MeV)和氘－氚反應(D+T─→4He+n+17.6MeV)等。聚變反應產生的快中子在聚變反應器（聚變驅動器）外圍包層中與鋰6反應並生成聚變核燃料氚：6Li+n─→T+4He。
聚變－裂變混合反應堆是聚變反應堆和裂變反應堆的組合。在這種混合堆中，聚變驅動器外圍包層由鋰、鈾和釷組成。聚變產生的快中子在包層內使鈾和釷裂變以倍增能量，同時又和鋰、鈾、釷發生反應，相應地生成氚、钚239、鈾233等聚變核燃料和裂變核燃料。
奧克勞現象 1972年在非洲加蓬的奧克勞(Oklo)鈾礦中發現瞭自然界曾經發生鈾的鏈式裂變反應的遺跡，即史前時代的天然核反應堆，稱為奧克勞現象。人們估計在109年以前，天然鈾中鈾235的豐度在3％左右。在富鈾礦和水（慢化劑）存在的條件下，可以造成超臨界條件和發生鏈式裂變反應。通過對鈾礦的組成分析，估計在奧克勞鈾礦中隨著水的蒸發和補入，鈾的鏈式裂變反應斷續地進行瞭大約106年。
參考書目
G.R.Choppin and J.Rydberg，Nuclear Chemistry，Theory and Applications，Pergamon，Oxford，1980.