Se også: atomreaktoren fysikk, fisjon, og Tungt vann

Denne delen ikke vise til noen kilder. Vennligst hjelp til med å forbedre denne delen ved å legge til henvisninger til pålitelige kilder. Unsourced materiale kan bli utfordret og fjernet., (Mai 2015) (Lære hvordan og når til å fjerne denne malen melding)

nøkkelen til å opprettholde en kjernefysisk kjedereaksjon i en kjernefysisk reaktor er å bruke, i gjennomsnitt, nøyaktig én av nøytroner frigjøres fra hver fisjon begivenhet for å stimulere til en annen kjernefysisk fisjon, hendelse (i et annet spaltbart kjernen). Med forsiktig utformingen av reaktoren geometri, og for nøye kontroll av stoffer til stede, slik som å påvirke reaktivitet, en selvdrevet kjede-reaksjon, eller «kritikk» som kan oppnås og opprettholdes.,

Naturlig uran består av en blanding av ulike isotoper, først og fremst 238U og et mye mindre beløp (om 0.72% av vekt) av 235U. 238U kan bare være fissioned av nøytroner som er relativt energisk, ca 1 MeV eller høyere. Ingen mengden av 238U kan være laget «kritisk» siden det har en tendens til å parasitically absorbere flere nøytroner enn det utgivelser av fisjon prosessen. 235U, på den annen side, kan støtte en selvbærende kjedereaksjon, men på grunn av den lave naturlige overflod av 235U, naturlig uran kan ikke oppnå kritikk av seg selv.,

trikset for å oppnå kritikk ved hjelp av bare naturlige eller lavt anriket uran, for der er det ikke «bare» en kritisk masse, er å bremse den slippes ut nøytroner (uten å absorbere dem) til et punkt der nok av dem kan føre til ytterligere fisjon i den lille mengden av 235U som er tilgjengelig. (238U, som er hoveddelen av naturlig uran er også spaltbart med raske nøytroner.) Dette krever bruk av et nøytron moderator, som absorberer nesten alle av nøytroner’ kinetisk energi, bremse dem ned til det punktet at de kommer i termisk likevekt med omkringliggende materiale., Det har blitt funnet gunstig for nøytron økonomi til å fysisk skille nøytron energi kontrolleringsprosess fra uran drivstoff seg selv, som 238U har en høy sannsynlighet for å absorbere nøytroner med mellomliggende kinetisk energi nivåer, en reaksjon kjent som «resonans» absorpsjon. Dette er en viktig grunn for å utforme reaktorer med separat fast brensel segmenter, omgitt av moderator, snarere enn noen geometri som ville gi en homogen blanding av drivstoff og moderator.,

Vann gjør en utmerket moderator; den ordinære hydrogen eller protium atomer i vannet molekylene er svært nær i massen til en enkelt nøytron, og så sin kollisjoner resultere i en veldig effektiv overføring av momentum, lignende konseptuelt til kollisjon mellom to billiard baller. Imidlertid, så vel som å være en god moderator, vanlig vann er også ganske effektiv til å absorbere nøytroner., Og så bruker vanlig vann som moderator vil lett opp så mange nøytroner som altfor få venstre til å opprettholde en kjedereaksjon med små og isolerte 235U kjerner i drivstoff, og dermed til hinder for kritikk i naturlig uran. På grunn av dette, en lett-vann-reaktoren vil kreve at 235U isotop være konsentrert i uran drivstoff, som anriket uran, vanligvis mellom 3% og 5% 235U av vekt (by-produktet fra denne prosessen berikelse prosessen er kjent som utarmet uran, og så bestående hovedsakelig av 238U, kjemisk ren)., Graden av berikelse nødvendig for å oppnå kritikk med en lett-vann moderator avhenger eksakt geometri og andre design parametere av reaktoren.

En komplikasjon med denne tilnærmingen er behov for anriking av uran fasiliteter, som er generelt dyrt å bygge og drifte. De presenterer også en kjernefysisk spredning bekymring; de samme systemene som brukes til å berike 235U kan også brukes til å produsere mye mer «ren» våpen-grade material (90% eller mer 235U), egnet for å produsere kjernefysiske våpen., Dette er ikke en triviell utøve noen som helst måte, men gjennomførbart nok til at berikelse fasiliteter presentere en betydelig spredning av atomvåpen risiko.

En alternativ løsning på problemet er å bruke en moderator som ikke absorberer nøytroner så lett som vann. I dette tilfellet potensielt alle nøytroner blir gitt kan være moderert og brukes i reaksjoner med 235U, i tilfelle det er nok 235U i naturlig uran for å opprettholde kritikk. En moderator er tungt vann, eller deuterium-oksid., Selv om det reagerer dynamisk med nøytroner på en måte som likner lys vann (om enn med mindre energi overføring på snitt, gitt at tungt hydrogen, eller deuterium, som er to ganger massen av hydrogen), er det allerede har ekstra nøytron som lys vann normalt har en tendens til å absorbere.