Ver também: física do reator Nuclear, fissão Nuclear e água pesada

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A chave para a manutenção de uma reação nuclear em cadeia dentro de um reator nuclear é usar, em média, exatamente um dos nêutrons liberados a partir de cada fissão nuclear do evento para estimular o outro a fissão nuclear do evento (em outro físseis do núcleo). Com um projeto cuidadoso da geometria do reator, e um controle cuidadoso das substâncias presentes de modo a influenciar a reatividade, uma reação em cadeia auto-sustentável ou “criticidade” pode ser alcançada e mantida.,

O urânio Natural consiste numa mistura de vários isótopos, principalmente 238U e uma quantidade muito menor (cerca de 0,72% em peso) de 235U. 238U só pode ser fissionado por neutrões que são relativamente energéticos, cerca de 1 MeV ou acima. Nenhuma quantidade de 238U pode ser feita “crítica”, uma vez que tenderá a absorver parasiticamente mais nêutrons do que libera pelo processo de fissão. 235U, por outro lado, pode suportar uma reação em cadeia auto-sustentada, mas devido à baixa abundância natural de 235U, o urânio natural não pode alcançar a criticidade por si só.,

O truque para atingir a criticidade usando apenas urânio natural ou pouco enriquecido, para o qual não há massa crítica “nua”, é desacelerar os nêutrons emitidos (sem absorvê-los) ao ponto em que um número suficiente deles pode causar mais fissão nuclear na pequena quantidade de 235U que está disponível. (238U que é a maior parte do urânio natural também é fissionável com neutrões rápidos. Isto requer o uso de um moderador de nêutrons, que absorve praticamente toda a energia cinética dos nêutrons, atrasando-os ao ponto de alcançarem o equilíbrio térmico com o material circundante., Verificou-se benéfico para a economia de nêutrons para separar fisicamente os nêutrons de energia, o processo de moderação do combustível de urânio em si, como 238U tem uma alta probabilidade de absorção de nêutrons com o intermediário energia cinética níveis, uma reação conhecida como “ressonância” absorção. Esta é uma razão fundamental para projetar reatores com segmentos separados de combustível sólido, rodeados pelo moderador, em vez de qualquer geometria que daria uma mistura homogênea de combustível e moderador.,

A água faz um excelente moderador; os átomos de hidrogênio ou prótio comuns nas moléculas de água estão muito próximos em massa a um único nêutron, e assim suas colisões resultam em uma transferência muito eficiente de momento, similar conceitualmente à colisão de duas bolas de bilhar. No entanto, além de ser um bom moderador, a água comum também é bastante eficaz na absorção de nêutrons., E assim, usar água comum como moderador irá facilmente absorver tantos nêutrons que poucos são deixados para sustentar uma reação em cadeia com os pequenos núcleos isolados de 235U no combustível, impedindo assim a criticidade no urânio natural. Devido a isso, um reator de água leve exigirá que o isótopo 235U seja concentrado em seu combustível de urânio, como urânio enriquecido, geralmente entre 3% e 5% 235U em peso (o subproduto deste processo de enriquecimento é conhecido como urânio empobrecido, e assim consistindo principalmente de 238U, quimicamente puro)., O grau de enriquecimento necessário para atingir a criticidade com um moderador de água leve depende da geometria exata e de outros parâmetros de projeto do reator.uma complicação desta abordagem é a necessidade de instalações de enriquecimento de urânio, que são geralmente dispendiosas de construir e operar. Eles também apresentam uma preocupação de proliferação nuclear; os mesmos sistemas utilizados para enriquecer a 235U também podem ser usados para produzir materiais de grau” puro ” para armas (90% ou mais de 235U), adequados para a produção de uma arma nuclear., Não se trata de um exercício trivial, mas suficientemente viável para que as instalações de enriquecimento apresentem um risco significativo de proliferação nuclear.

uma solução alternativa para o problema é usar um moderador que não absorve nêutrons tão prontamente quanto a água. Neste caso, potencialmente todos os nêutrons que estão sendo liberados podem ser moderados e usados em reações com o 235U, caso em que há 235U suficiente em urânio natural para sustentar a criticidade. Um desses moderadores é água pesada, ou óxido de Deutério., Embora ele reaja dinamicamente com os nêutrons de uma forma semelhante à água leve (embora com menos transferência de energia em média, dado que hidrogênio pesado, ou deutério, é cerca do dobro da massa de hidrogênio), ele já tem o nêutron extra que a água leve normalmente tende a absorver.