เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ( LWR ) เป็น เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนชนิดหนึ่งที่ใช้น้ำธรรมดา เป็นทั้ง สารหล่อเย็นและตัวลดความเร็วของนิวตรอน แทนที่จะใช้น้ำหนักเบา นอกจากนี้ยังใช้ธาตุฟิสไซล์ในรูปของแข็งเป็นเชื้อเพลิง เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนเป็น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดและเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดเช่นกัน

เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเหนือวิกฤต (SCWR) (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบจำลอง)

หลังจากการค้นพบการแตกตัว ของนิวเคลียส การหน่วงนิวตรอนและความเป็นไปได้ทางทฤษฎีของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ผลการทดลองในช่วงแรกแสดงให้เห็นอย่างรวดเร็วว่ายูเรเนียมธรรมชาติสามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องได้ก็ต่อเมื่อใช้กราไฟต์หรือน้ำหนักเบาเป็นตัวหน่วงนิวตรอนเท่านั้น ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกของโลก ( CP-1 , X10เป็นต้น) ประสบความสำเร็จในการเข้าสู่สภาวะวิกฤตการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมจึงเริ่มพัฒนาจากแนวคิดทางทฤษฎีไปสู่การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของโครงการแมนฮัตตัน นั่นคือ การสร้างวัตถุระเบิดนิวเคลียร์

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2487 ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะชุดแรกที่ผลิตได้ถึงจุดวิกฤตใน เครื่องปฏิกรณ์ พลังงานต่ำ (LOPO)ที่ลอสอะลามอสซึ่งใช้ในการประมาณมวลวิกฤตของ U235 เพื่อสร้างระเบิดปรมาณู^{[ 1 ]} LOPO ไม่สามารถถือได้ว่าเป็นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาเครื่องแรก เนื่องจากเชื้อเพลิงของมันไม่ใช่สารประกอบยูเรเนียมแข็งที่หุ้มด้วยวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน แต่ประกอบด้วยเกลือยูรานิลซัลเฟต ที่ละลายในน้ำ ^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม มันเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบเอกพันธ์ ในน้ำเครื่องแรก และเป็นเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกที่ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเป็นเชื้อเพลิงและน้ำธรรมดาเป็นตัวหน่วง^{[ 1 ]}

เมื่อ สงครามสิ้นสุดลง ตามแนวคิดของAlvin Weinbergได้มีการจัดเรียงองค์ประกอบเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติเป็นโครงตาข่ายในน้ำธรรมดาที่ด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์ X10เพื่อประเมินปัจจัยการคูณนิวตรอน^{[ 3 ]}วัตถุประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อกำหนดความเป็นไปได้ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยใช้น้ำเบาเป็นตัวหน่วงและสารหล่อเย็น และยูเรเนียมแข็งหุ้มเป็นเชื้อเพลิง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า ด้วยยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเล็กน้อย สามารถบรรลุภาวะวิกฤตได้^{[ 4 ]}การทดลองนี้เป็นขั้นตอนปฏิบัติแรกสู่เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา

หลังสงครามโลกครั้งที่สองและเมื่อมียูเรเนียมเสริมสมรรถนะแล้ว แนวคิดเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่จึงเป็นไปได้ ในปี 1946 ยูจีน วิกเนอร์และอัลวิน ไวน์เบิร์กได้เสนอและพัฒนาแนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเป็นเชื้อเพลิง และน้ำเบาเป็นตัวหน่วงและสารหล่อเย็น^{[ 3 ]}แนวคิดนี้ถูกเสนอสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่มีจุดประสงค์เพื่อทดสอบพฤติกรรมของวัสดุภายใต้ฟลักซ์นิวตรอนเครื่องปฏิกรณ์นี้ เรียก ว่า เครื่องปฏิกรณ์ทดสอบวัสดุ (MTR)ถูกสร้างขึ้นในไอดาโฮที่INLและถึงจุดวิกฤตในวันที่ 31 มีนาคม 1952 ^{[ 5 ]}สำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นี้ จำเป็นต้องมีการทดลอง ดังนั้นจึงมีการสร้างแบบจำลองของ MTR ที่ORNLเพื่อประเมินประสิทธิภาพทางไฮดรอลิกของวงจรหลัก จากนั้นจึงทดสอบลักษณะนิวตรอน แบบจำลอง MTR นี้ ซึ่งต่อมาเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์ทดสอบความเข้มต่ำ (LITR) บรรลุสภาวะวิกฤตเมื่อวันที่ 4 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2493 ^{[ 6 ]}และเป็นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาเครื่องแรกของโลก^{[ 7 ]}

ทันทีหลัง สงครามโลกครั้งที่สองสิ้นสุดลง กองทัพเรือสหรัฐฯได้เริ่มโครงการภายใต้การกำกับดูแลของกัปตัน (ต่อมาคือพลเรือเอก) ไฮแมน ริคโอเวอร์โดยมีเป้าหมายใน การพัฒนาระบบขับเคลื่อน ด้วยพลังงานนิวเคลียร์สำหรับเรือรบ โครงการนี้ได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงเครื่องแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1950 และนำไปสู่การใช้งานเรือดำน้ำนิวเคลียร์ลำแรกอย่างประสบความสำเร็จ คือ เรือยูเอสเอส  นอติลัส  (SSN-571 )

สหภาพโซเวียตได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ PWR ขึ้นเองโดยอิสระในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ภายใต้ชื่อVVERแม้ว่าจะมีหลักการทำงานคล้ายคลึงกับเครื่องปฏิกรณ์ของอเมริกามาก แต่ก็มีความแตกต่างด้านการออกแบบบางประการจากเครื่องปฏิกรณ์ PWR ของชาตะวันตกด้วย

นักวิจัยSamuel Untermyer IIเป็นผู้นำความพยายามในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำเดือด (BWR) ที่สถานีทดสอบเครื่องปฏิกรณ์แห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา (ปัจจุบันคือห้องปฏิบัติการแห่งชาติไอดาโฮ ) ในชุดการทดสอบที่เรียกว่าการทดลอง BORAX

PIUS ซึ่งย่อมาจากProcess Inherent Ultimate Safetyเป็นการออกแบบของสวีเดนที่ออกแบบโดย ASEA-ATOM เป็นแนวคิดสำหรับระบบเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา^{[ 8 ]}ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์ SECURE ^{[ 9 ]}อาศัยมาตรการแบบพาสซีฟ ไม่ต้องใช้การกระทำของผู้ปฏิบัติงานหรือแหล่งพลังงานภายนอก เพื่อให้การทำงานปลอดภัย ไม่มีการสร้างหน่วยใด ๆ ขึ้นมาจริง

ในปี 2020 ศูนย์ Energy Impact Centerได้ประกาศเผยแพร่การออกแบบทางวิศวกรรมแบบโอเพนซอร์สของเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงที่สามารถผลิตพลังงานได้ 300 MWth/100 MWe เรียกว่าOPEN100 ^{[ 10 ]}

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตระกูลที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR) ซึ่งใช้น้ำธรรมดาในการระบายความร้อนและลดความเร็วของนิวตรอน มักจะมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและราคาถูกกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประเภทอื่น ๆ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาจึงเป็นส่วนใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์พลเรือนและเครื่องปฏิกรณ์ขับเคลื่อนเรือรบที่ใช้งานอยู่ทั่วโลกในปี 2552 เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาสามารถแบ่งย่อยได้เป็นสามประเภท ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) และเครื่องปฏิกรณ์น้ำยวดยิ่ง ( SCWR ) SCWRยังคงเป็นเพียงสมมติฐานในปี 2552 เป็น แบบเครื่องปฏิกรณ์ รุ่นที่ 4ซึ่งยังคงเป็นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา แต่ใช้เพียงน้ำเบาในการลดความเร็วของนิวตรอนบางส่วน และมีลักษณะบางอย่างของ เครื่องปฏิกรณ์ นิวตรอน เร็ว

ประเทศที่มีประสบการณ์ด้านเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) ชั้นนำ และเสนอขายเครื่องปฏิกรณ์เพื่อการส่งออก ได้แก่ สหรัฐอเมริกา (ซึ่งเสนอขายเครื่องปฏิกรณ์AP1000 ที่ปลอดภัยแบบพาสซีฟ ซึ่ง ออกแบบ โดย Westinghouseรวมถึงเครื่องปฏิกรณ์ PWR ขนาดเล็กแบบโมดูลาร์ที่ปลอดภัยแบบพาสซีฟอีกหลายรุ่น เช่นBabcock & Wilcox MPowerและNuScale MASLWR) สหพันธรัฐรัสเซีย (เสนอขายทั้ง VVER-1000 และ VVER-1200 เพื่อการส่งออก) สาธารณรัฐฝรั่งเศส (เสนอขายAREVA EPRเพื่อการส่งออก) และญี่ปุ่น (เสนอขายเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงขั้นสูงของมิตซูบิชิ เพื่อการส่งออก) นอกจากนี้ สาธารณรัฐประชาชนจีนและสาธารณรัฐเกาหลีก็กำลังก้าวขึ้นสู่แถวหน้าของประเทศผู้สร้างเครื่องปฏิกรณ์ PWR อย่างรวดเร็วเช่นกัน โดยจีนกำลังดำเนินโครงการขยายพลังงานนิวเคลียร์ขนาดใหญ่ และเกาหลีกำลังออกแบบและสร้างเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่สองของตนเอง ประเทศที่มีประสบการณ์ด้านเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) มากที่สุดในระดับประเทศ และส่งออกเครื่องปฏิกรณ์ได้แก่ สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น โดยความร่วมมือระหว่างบริษัทGeneral Electric (สหรัฐฯ) และHitachi (ญี่ปุ่น) นำเสนอทั้งเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง (ABWR)และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดแบบประหยัด (ESBWR)สำหรับการก่อสร้างและการส่งออก นอกจากนี้Toshibaยังนำเสนอ เครื่องปฏิกรณ์ ABWRรุ่นต่างๆ สำหรับการก่อสร้างในญี่ปุ่นด้วยเช่นกันเยอรมนีตะวันตกก็เคยเป็นผู้เล่นหลักในด้านเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) มาก่อน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประเภทอื่นๆ ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า ได้แก่เครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำหนักเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (heavy water moderated reactor ) ซึ่งสร้างโดยแคนาดา ( CANDU ) และสาธารณรัฐอินเดีย (AHWR) เครื่องปฏิกรณ์แบบใช้แก๊สระบายความร้อนขั้นสูง (AGCR) ซึ่งสร้างโดยสหราชอาณาจักรเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้โลหะเหลวระบายความร้อน (LMFBR) ซึ่งสร้างโดยสหพันธรัฐรัสเซีย สาธารณรัฐฝรั่งเศส และญี่ปุ่น และเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอนและระบายความร้อนด้วยน้ำ (RBMK หรือ LWGR) ซึ่งพบได้เฉพาะในสหพันธรัฐรัสเซียและอดีตรัฐโซเวียตเท่านั้น

แม้ว่า ความสามารถ ในการผลิตกระแสไฟฟ้าจะเทียบเคียงกันได้ระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ทุกประเภท แต่เนื่องจากคุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้น และประสบการณ์การใช้งานที่ยาวนานของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR) จึงเป็นที่นิยมใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งใหม่ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบายังเป็นเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ที่ใช้ขับเคลื่อนเรือรบพลังงานนิวเคลียร์สี่ในห้าประเทศมหาอำนาจ ที่มีศักยภาพ ในการขับเคลื่อนเรือรบด้วยพลังงานนิวเคลียร์ใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแต่เพียงอย่างเดียว ได้แก่กองทัพเรือ อังกฤษ กองทัพเรือปลดปล่อยประชาชนจีนกองทัพเรือฝรั่งเศส และ กองทัพเรือสหรัฐอเมริกา มีเพียง กองทัพเรือรัสเซียเท่านั้นที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยโลหะเหลวในเรือที่ผลิตแล้วจำนวนไม่มากนัก โดยเฉพาะเรือดำน้ำชั้นอัลฟาซึ่งใช้ตะกั่ว-บิสมัทแบบยูเทคติกเป็นตัวลดความเร็วและสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ แต่เรือและเรือรบพลังงานนิวเคลียร์ของรัสเซียส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแต่เพียงอย่างเดียว เหตุผลที่เรือรบพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาคือระดับความปลอดภัยที่มีอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้ เนื่องจากน้ำเบาถูกใช้เป็นทั้งสารหล่อเย็นและตัวลดความเร็วของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ หากเครื่องปฏิกรณ์เครื่องใดเครื่องหนึ่งได้รับความเสียหายจากปฏิบัติการทางทหาร ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายต่อความสมบูรณ์ของแกนเครื่องปฏิกรณ์ การปล่อยน้ำเบาออกมาจะทำหน้าที่หยุดปฏิกิริยานิวเคลียร์และปิดเครื่องปฏิกรณ์ ความสามารถนี้เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์ปฏิกิริยาเชิงลบ (negative void coefficient of reactivity )

ปัจจุบัน LWR ที่มีให้เลือกมีดังต่อไปนี้:

• เอบีดับบลิวอาร์
• เอพี1000
• เอพีอาร์-1400
• ซีพีอาร์-1000
• อีพีอาร์
• วีเวอร์

ณ ปี 2022 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลกมีเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา 379 เครื่องจากทั้งหมด 441 เครื่อง และที่อยู่ระหว่างการก่อสร้างมี 45 เครื่องจากทั้งหมด 51 เครื่อง โดยมีเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแบบใช้แรงดันและระบายความร้อนด้วยน้ำเบา 306 เครื่อง เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแบบเดือดระบายความร้อนและระบายความร้อนด้วยน้ำเบา 61 เครื่อง และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาระบายความร้อนด้วยกราไฟต์ 12 เครื่อง กำลังการผลิตไฟฟ้าสุทธิรวมทั้งหมดอยู่ที่ 361,888 เมกะวัตต์^{[ 11 ]}

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำเบาผลิตความร้อนโดยการแตกตัวของนิวเคลียส แบบควบคุม แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้น โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และองค์ประกอบควบคุมแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่บางเหมือนดินสอ แต่ละแท่งยาวประมาณ 12 ฟุต (3.7 เมตร) จะถูกจัดกลุ่มเป็นร้อยๆ แท่งในมัดที่เรียกว่าชุดประกอบเชื้อเพลิง ภายในแท่งเชื้อเพลิงแต่ละแท่ง เม็ดยูเรเนียมหรือที่พบได้บ่อยกว่าคือยูเรเนียมออกไซด์จะถูกเรียงต่อกัน องค์ประกอบควบคุมที่เรียกว่าแท่งควบคุม จะบรรจุเม็ดสารต่างๆ เช่นแฮฟเนียมหรือแคดเมียมซึ่งสามารถดักจับนิวตรอนได้ง่าย เมื่อแท่งควบคุมถูกหย่อนลงไปในแกน แท่งควบคุมจะดูดซับนิวตรอน ทำให้นิวตรอนเหล่านั้นไม่สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ในทางกลับกัน เมื่อแท่งควบคุมถูกยกออกไป นิวตรอนจำนวนมากขึ้นจะพุ่ง ชนนิวเคลียส ยูเรเนียม-235หรือพลูโทเนียม-239 ที่สามารถแตก ตัวได้ในแท่งเชื้อเพลิงที่อยู่ใกล้เคียง และปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะรุนแรงขึ้น ส่วนประกอบทั้งหมดนี้ถูกบรรจุอยู่ในภาชนะรับแรงดัน เหล็กที่บรรจุน้ำ ซึ่งเรียกว่าภาชนะ ปฏิกรณ์

ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดความร้อนที่เกิดจากการแตกตัวจะเปลี่ยนน้ำให้กลายเป็นไอน้ำ ซึ่งจะขับเคลื่อนกังหันผลิตไฟฟ้าโดยตรง แต่ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงความร้อนที่เกิดจากการแตกตัวจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรทุติยภูมิผ่านทางเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ไอน้ำจะถูกผลิตขึ้นในวงจรทุติยภูมิ และวงจรทุติยภูมิจะขับเคลื่อนกังหันผลิตไฟฟ้า ไม่ว่าในกรณีใด หลังจากไหลผ่านกังหันแล้ว ไอน้ำจะเปลี่ยนกลับเป็นน้ำในคอนเดนเซอร์^{[ 12 ]}

• 
  แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด แบบเคลื่อนไหว
• 
  แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงแบบเคลื่อนไหว

น้ำที่จำเป็นในการระบายความร้อนคอนเดนเซอร์จะถูกนำมาจากแม่น้ำหรือมหาสมุทรที่อยู่ใกล้เคียง จากนั้นจะถูกสูบกลับเข้าไปในแม่น้ำหรือมหาสมุทรในสภาพที่อุ่นขึ้น ความร้อนยังสามารถระบายออกสู่บรรยากาศผ่านหอระบายความร้อนได้อีกด้วย สหรัฐอเมริกาใช้เครื่องปฏิกรณ์ LWR ในการผลิตไฟฟ้า เมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาที่ใช้ในแคนาดา^{[ 13 ]}

โดยปกติแล้วแท่งควบคุมจะถูกรวมเข้าเป็นชุดแท่งควบคุม ซึ่งโดยทั่วไปจะมี 20 แท่งสำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงเชิงพาณิชย์ และถูกเสียบเข้าไปในท่อไกด์ภายในส่วนประกอบเชื้อเพลิง แท่งควบคุมจะถูกดึงออกจากหรือเสียบเข้าไปในแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อควบคุมจำนวนนิวตรอนที่จะแยกอะตอมของยูเรเนียมต่อไป ซึ่งจะส่งผลต่อกำลังความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ ปริมาณไอน้ำที่เกิดขึ้น และดังนั้นจึงส่งผลต่อกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ แท่งควบคุมจะถูกดึงออกจากแกนกลางบางส่วนเพื่อให้ เกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่จำนวนแท่งควบคุมที่เสียบเข้าไปและระยะห่างที่เสียบเข้าไปสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อควบคุมปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์

โดยทั่วไปแล้ว ยังมีวิธีการอื่น ๆ ในการควบคุมปฏิกิริยาเคมี ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ PWR จะมีการเติมสารดูดซับนิวตรอนที่ละลายน้ำได้ ซึ่งโดยปกติคือกรดบอริกลงในสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อให้สามารถดึงแท่งควบคุมนิวตรอนออกได้อย่างสมบูรณ์ในระหว่างการทำงานที่กำลังไฟฟ้าคงที่ ทำให้มั่นใจได้ว่ากำลังไฟฟ้าและฟลักซ์นิวตรอนจะกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแกนเครื่องปฏิกรณ์ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์แบบ BWR นั้น ผู้ปฏิบัติงานจะใช้การไหลของสารหล่อเย็นผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อควบคุมปฏิกิริยาเคมีโดยการปรับความเร็วของปั๊มหมุนเวียนของเครื่องปฏิกรณ์ การเพิ่มการไหลของสารหล่อเย็นผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์จะช่วยกำจัดฟองไอน้ำได้ดีขึ้น จึงเพิ่มความหนาแน่นของสารหล่อเย็น/ตัวหน่วงนิวตรอน ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาใช้น้ำธรรมดาในการระบายความร้อนให้กับเครื่องปฏิกรณ์เช่นกัน แหล่งระบายความร้อนคือน้ำเบา ซึ่งจะถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้น ความร้อนจะถูกระบายออกจากเครื่องปฏิกรณ์และนำไปใช้ในการผลิตไอน้ำ ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบระบายความร้อนที่แยกออกจากน้ำที่จะถูกต้มเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันไอน้ำ เช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง แต่ในเครื่องปฏิกรณ์บางประเภท น้ำสำหรับกังหันไอน้ำจะถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ เช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อื่นๆ อีกหลายชนิดก็ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำเบาเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่อง ปฏิกรณ์ RBMKและ เครื่องปฏิกรณ์ผลิต พลูโทเนียม ทางทหารบางชนิด เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ไม่ถือว่าเป็นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR) เนื่องจากใช้กราไฟต์ เป็นตัวหน่วงนิวตรอน และด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติทางนิวเคลียร์จึงแตกต่างกันมาก แม้ว่าอัตราการไหลของสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์น้ำอัดความดัน (PWR) เชิงพาณิชย์จะคงที่ แต่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ในเรือของ กองทัพเรือสหรัฐฯ นั้น อัตราการไหลของสารหล่อเย็นจะไม่คงที่

การใช้น้ำธรรมดาทำให้จำเป็นต้องทำการเสริมสมรรถนะเชื้อเพลิงยูเรเนียมในปริมาณหนึ่งก่อนที่จะรักษาสภาวะวิกฤตที่จำเป็นของเครื่องปฏิกรณ์ได้ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาใช้ยูเรเนียม 235เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งเสริมสมรรถนะไว้ประมาณ 3 เปอร์เซ็นต์ แม้ว่านี่จะเป็นเชื้อเพลิงหลัก แต่ยูเรเนียม 238ก็มีส่วนร่วมในกระบวนการฟิชชันด้วยการเปลี่ยนไปเป็นพลูโทเนียม 239ซึ่งประมาณครึ่งหนึ่งถูกใช้ไปในเครื่องปฏิกรณ์ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาโดยทั่วไปจะเติมเชื้อเพลิงใหม่ทุกๆ 12 ถึง 18 เดือน ซึ่งในแต่ละครั้งจะมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิงประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ UF6 _จะถูกแปลงเป็น ผง ยูเรเนียมไดออกไซด์จากนั้นจึงนำไปแปรรูปเป็นเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกเผาในเตาเผาอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างเม็ดเซรามิกแข็งของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเม็ดทรงกระบอกเหล่านี้จะผ่านกระบวนการบดเพื่อให้ได้ขนาดเม็ดที่สม่ำเสมอ ยูเรเนียมออกไซด์จะถูกทำให้แห้งก่อนที่จะบรรจุลงในท่อเพื่อกำจัดความชื้นในเชื้อเพลิงเซรามิกซึ่งอาจนำไปสู่การกัดกร่อนและการเปราะตัวของไฮโดรเจน เม็ดเหล่านี้จะถูกเรียงซ้อนกันตามข้อกำหนดการออกแบบของแกนนิวเคลียร์แต่ละอันลงในท่อ โลหะผสม ที่ทนต่อการกัดกร่อนท่อเหล่านี้จะถูกปิดผนึกเพื่อกักเก็บเม็ดเชื้อเพลิงไว้ภายใน ท่อเหล่านี้เรียกว่าแท่งเชื้อเพลิง

แท่งเชื้อเพลิงที่ผลิตเสร็จแล้วจะถูกจัดกลุ่มเป็นชุดประกอบเชื้อเพลิงพิเศษ ซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้างแกนเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของเครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้า โลหะที่ใช้สำหรับท่อจะขึ้นอยู่กับการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์ – ในอดีตเคยใช้เหล็กกล้าไร้สนิม แต่ปัจจุบันเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ โลหะผสมเซอร์โคเนียมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ประเภทที่พบได้ทั่วไป ท่อจะถูกประกอบเป็นมัดโดยเว้นระยะห่างระหว่างท่ออย่างแม่นยำ จากนั้นมัดเหล่านี้จะได้รับหมายเลขประจำตัวที่ไม่ซ้ำกัน ซึ่งช่วยให้สามารถติดตามได้ตั้งแต่การผลิต การใช้งาน และการกำจัด

เชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงประกอบด้วยแท่งทรงกระบอกที่มัดรวมกัน เซรามิกยูเรเนียมออกไซด์ถูกขึ้นรูปเป็นเม็ดและใส่เข้าไปในท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมที่มัดรวมกัน ท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เซนติเมตร และช่องว่างระหว่างแท่งเชื้อเพลิงกับปลอกหุ้มจะเต็มไปด้วย ก๊าซ ฮีเลียมเพื่อปรับปรุงการนำความร้อนจากเชื้อเพลิงไปยังปลอกหุ้ม โดยทั่วไปแล้ว มัดเชื้อเพลิงจะมีแท่งเชื้อเพลิงประมาณ 179-264 แท่ง และบรรจุมัดเชื้อเพลิงประมาณ 121 ถึง 193 มัดลงในแกนเครื่องปฏิกรณ์โดยทั่วไป มัดเชื้อเพลิงจะประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิงที่มัดรวมกันขนาด 14x14 ถึง 17x17 มัดเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงมีความยาวประมาณ 4 เมตร ท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมจะถูกอัดด้วยก๊าซฮีเลียมเพื่อลดการเสียดสีระหว่างเม็ดเชื้อเพลิงกับปลอกหุ้ม ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายของแท่งเชื้อเพลิงในระยะยาว

ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด เชื้อเพลิงจะคล้ายกับเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) ยกเว้นว่ามัดเชื้อเพลิงจะถูก "บรรจุ" ไว้ กล่าวคือ มีท่อบางๆ หุ้มแต่ละมัดไว้ โดยหลักแล้วทำเช่นนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ความแปรผันของความหนาแน่นในระดับท้องถิ่นส่งผลกระทบต่อกลศาสตร์ของนิวตรอนและอุณหพลศาสตร์ของแกนกลางนิวเคลียร์ในภาพรวม ในมัดเชื้อเพลิง BWR สมัยใหม่ จะมีแท่งเชื้อเพลิง 91, 92 หรือ 96 แท่งต่อชุด ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต โดยมีจำนวนชุดประกอบตั้งแต่ 368 ชุด สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ BWR ขนาดเล็กที่สุด ไปจนถึง 800 ชุด สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ BWR ขนาดใหญ่ที่สุดของสหรัฐฯ แท่งเชื้อเพลิง BWR แต่ละแท่งจะถูกเติมด้วยฮีเลียมจนถึงความดันประมาณสามบรรยากาศ (300 กิโลปาสคาล)

ตัวลดความเร็วของนิวตรอนคือตัวกลางที่ลดความเร็วของนิวตรอนเร็วทำให้มันกลายเป็นนิวตรอนความร้อนที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์โดยใช้ยูเรเนียม-235 ได้ ตัวลดความเร็วของนิวตรอนที่ดีคือวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมที่มีนิวเคลียสเบาซึ่งไม่ดูดซับนิวตรอนได้ง่าย นิวตรอนจะพุ่งชนนิวเคลียสและกระเด็นออกไป หลังจากชนกันหลายครั้ง ความเร็วของนิวตรอนจะใกล้เคียงกับความเร็วความร้อนของนิวเคลียส นิวตรอนนี้จึงเรียกว่านิวตรอนความร้อน

เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาใช้น้ำ ธรรมดา หรือที่เรียกว่าน้ำเบา เป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน น้ำเบาดูดซับนิวตรอนมากเกินไปที่จะใช้กับยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่ผ่านการเสริมสมรรถนะ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมหรือการแปรรูปนิวเคลียร์ เพื่อใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าว ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนโดยรวม นี่คือสิ่งที่แตกต่างจาก เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักซึ่งใช้น้ำหนักเป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน แม้ว่าน้ำธรรมดาจะมีโมเลกุลของน้ำหนักอยู่บ้าง แต่ก็ไม่มากพอที่จะมีความสำคัญในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง น้ำหล่อเย็นถูกใช้เป็นตัวลดความเร็วโดยปล่อยให้นิวตรอนเกิดการชนหลายครั้งกับอะตอมไฮโดรเจนเบาในน้ำ ทำให้ความเร็วลดลงในกระบวนการ การลดความเร็วของนิวตรอนนี้จะเกิดขึ้นบ่อยขึ้นเมื่อน้ำมีความหนาแน่นมากขึ้น เพราะจะเกิดการชนกันมากขึ้น

การใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอนเป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่สำคัญของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน (PWR) เนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้น้ำขยายตัวและมีความหนาแน่นน้อยลง ส่งผลให้การชะลอความเร็วของนิวตรอนลดลง และลดปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ลง ดังนั้น หากปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเกินปกติ การหน่วงนิวตรอนที่ลดลงจะทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ช้าลง ทำให้เกิดความร้อนน้อยลง คุณสมบัตินี้เรียกว่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เชิงลบ ของปฏิกิริยา ทำให้เครื่องปฏิกรณ์ PWR มีเสถียรภาพมาก ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุสูญเสียสารหล่อเย็นตัวหน่วงนิวตรอนก็จะหายไปด้วย และปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดขึ้นจะหยุดลง ความร้อนยังคงเกิดขึ้นหลังจากปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดลงจากผลพลอยได้จากกัมมันตรังสีของฟิชชัน ประมาณ 5% ของกำลังไฟฟ้าที่กำหนด ความร้อนจากการสลายตัวนี้จะยังคงอยู่ต่อไปอีก 1 ถึง 3 ปีหลังจากปิดเครื่องปฏิกรณ์แล้ว ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์ก็จะถึง "การปิดเครื่องโดยสมบูรณ์" ความร้อนจากการสลายตัว แม้ว่าจะอันตรายและรุนแรงพอที่จะหลอมแกนกลางได้ แต่ก็ไม่รุนแรงเท่ากับปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดขึ้น ในช่วงหลังการปิดระบบ เครื่องปฏิกรณ์จำเป็นต้องมีการสูบน้ำหล่อเย็นเข้าไป มิฉะนั้นเครื่องปฏิกรณ์จะร้อนจัด หากอุณหภูมิเกิน 2200 องศาเซลเซียส น้ำหล่อเย็นจะสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นส่วนผสมที่ระเบิดได้ (ทางเคมี) ความร้อนจากการสลายตัวเป็นปัจจัยเสี่ยงสำคัญในด้านความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR)

• พลังงานนิวเคลียร์
• เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักมาก
• รายชื่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• ความยั่งยืนของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา
• เครื่องปฏิกรณ์เพาะพันธุ์

• โครงการความยั่งยืนของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWRS)