Cũng như các nhà máy điện thông thường tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các lò phản ứng hạt nhân biến đổi năng lượng nhiệt phát ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân.

Sự phân hạch

Trong tự nhiên một số hạt nhân đồng vị phóng xạ nặng như Urani 235 hoặc Plutoni 239 có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân. Khi một hạt nhân nguyên tử này hấp thụ một neutron, nó chuyển sang trạng thái kích thích với số nguyên tử lượng tăng 1, ví dụ 235U thành 236U, sau đó chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng ra nhiều năng lượng, bức xạ gamma và khoảng 2 - 3 neutron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch.[6] Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch diễn ra thành phản ứng dây chuyền.

Tùy theo mức độ để thất thoát neutron ra khỏi khối vật liệu phân hạch mà phản ứng dây chuyền diễn ra theo cách khác nhau. Trong thực tế người ta dùng giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối, và gọi là hệ số nhân neutron hiệu dụng K. Hệ số này phụ thuộc các yếu tố gồm khối lượng, mật độ, hình dạng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, nhiệt độ, và môi trường xung quanh. Trong số đó khối lượng có vai trò quan trọng, và khối lượng tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định gọi là khối lượng tới hạn.

• Phản ứng dây chuyền tự tắt: có K<1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng ít hơn số cần để duy trì như cũ. Các phản ứng xảy ra ở mức "vết", với số lượng tỷ lệ với khối lượng đồng vị phân hạch có trong khối.
• Phản ứng dây chuyền tự duy trì: có K=1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng bằng số cần để duy trì phản ứng. Đây là trạng thái cần duy trì trong lò phản ứng hạt nhân.
• Phản ứng dây chuyền bùng nổ: có K>1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng lớn hơn số cần để duy trì phản ứng, làm cho số phản ứng tăng theo cấp số nhân. Trạng thái này có thể đẩy hệ thống thành mất kiểm soát, dẫn đến bùng nổ, và được ứng dụng trong chế tạo bom hạt nhân.

Trong lò phản ứng thì khối lượng vật liệu phân hạch được bố trí ở mức khối lượng tới hạn, và thực hiện kiểm soát và điều chỉnh về đúng mức K=1 bằng các khối vật liệu của hai dạng tác động tới neutron:

• phản xạ hoặc/và làm chậm neutron để tăng số neutron hoạt động;
• hấp thụ neutron để giảm số neutron hoạt động, thường dùng là than chì.

Thông thường thì khối phản xạ - làm chậm được bố trí cố định ở buồng phản ứng của lò, còn các hấp thụ neutronđược điều chỉnh ở vị trí thích hợp và chính xác. Khi có sự cố thì các khối hấp thụ được đẩy sâu vào vùng vật liệu phân hạch, hấp thụ nhiều neutron, đẩy hệ số về K<1 làm tắt phản ứng.

Các nguyên liệu hấp thụ neutron thường được sử dụng như nước nhẹ (75% các lò phản ứng trên thế giới) than chì rắn (20%) và nước nặng (5%). Berili cũng đã từng được sử dụng trong một số kiểu thí nghiệm, và hydrocarbon đã từng được đề xuất sử dụng để duy trì trạng thái ổn định.[7]

Phát nhiệt

Lõi lò phản ứng tạo ra nhiệt theo một số bước sau:

• Động năng của sản phẩm từ phản ứng phân hạch được chuyển đổi thành nhiệt năng khi những hạt nhân đó va chạm vào những nguyên tử gần đó.
• Một số tia gamma tạo ra từ phản ứng phân hạch được lò phản ứng hấp thụ, và năng lượng đó được biến đổi thành nhiệt.
• Nhiệt năng tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của sản phẩm và nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch đó được kích hoạt bởi sự hấp thụ nơ-tron. nguồn nhiệt phóng xạ đó sẽ còn dư cho trường hợp lò phản ứng tạm ngưng hoạt động.

1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) chuyển đổi qua quá trình phản ứng hạt nhân giải phóng ra xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng mà 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường ( 7.2 × 10 13 {\displaystyle 7.2\times 10^{13}} jun/kilogram của uranium-235 so với 2.4 × 10 7 {\displaystyle 2.4\times 10^{7}} jun/kilogram của than đá).

Làm mát

Chất làm mát lò phản ứng hạt nhân - thường là nước nhưng đôi khi là khí hoặc kim loại lỏng (như natri lỏng) hoặc muối nóng chảy - được lưu thông qua lõi lò phản ứng để hấp thụ nhiệt mà nó tạo ra. Nhiệt được mang đi từ lò phản ứng và sau đó được sử dụng để tạo hơi nước. Hầu hết các hệ thống lò phản ứng sử dụng một hệ thống làm mát được tách biệt vật lý với nước sẽ được đun sôi để tạo ra hơi áp suất cho các tuabin, giống như lò phản ứng nước điều áp. Tuy nhiên, trong một số lò phản ứng, nước cho tua bin hơi được đun sôi trực tiếp bởi lõi lò phản ứng; ví dụ lò phản ứng nước sôi.[8]

Kiểm soát phản ứng

Việc điều khiển này được thực hiện bởi các thanh điều khiển chế tạo bằng vật liệu hấp thụ neutron như cađimi

Khi số neutron trong lò tăng lên quá nhiều (k>1), người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu phân hạch để hấp thụ neutron thừa. Năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng sẽ không đổi theo thời gian

Điện năng

Năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần trong đó có thể được chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được. Một phương pháp phổ biến nhằm khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng nó đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao mà sau đó sẽ quay một tua bin hơi nước và tạo ra điện.