ในวิศวกรรมนิวเคลียร์ตัว ลดความเร็ว ของนิวตรอนคือตัวกลางที่ลดความเร็วของนิวตรอนเร็วโดยในอุดมคติแล้วจะไม่ดักจับ นิวตรอน เร็วเลย ทำให้เหลือนิวตรอนความร้อน ที่มี พลังงานจลน์ (ความร้อน)เพียง เล็กน้อย นิวตรอนความร้อนเหล่านี้ มีแนวโน้ม ที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ของยูเรเนียม-235หรือไอโซโทปที่แตกตัวได้ อื่นๆ ได้ง่ายกว่านิวตรอนเร็ว มาก โดยการ ชนกับนิวเคลียสของอะตอม

น้ำ (บางครั้งเรียกว่า "น้ำเบา" ในบริบทนี้) เป็นตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด (ประมาณ 75% ของเครื่องปฏิกรณ์ทั่วโลก) กราไฟต์ แข็ง (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) เป็นทางเลือกหลัก^{[ 1 ]}เบริลเลียมยังถูกนำมาใช้ในเครื่องปฏิกรณ์แบบทดลองบางประเภท และไฮโดรคาร์บอนก็ถูกเสนอให้เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

โดยปกติ นิวตรอนจะถูกยึดไว้กับนิวเคลียสของอะตอมและไม่สามารถอยู่เป็นอิสระได้นานในธรรมชาติ นิวตรอนที่ไม่ถูกยึดไว้จะมีครึ่งชีวิตประมาณ10 นาที 11 วินาทีการปลดปล่อยนิวตรอนออกจากนิวเคลียสต้องใช้พลังงานที่มากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอน ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 7-9 MeV สำหรับไอโซโทปส่วนใหญ่แหล่งกำเนิดนิวตรอนสร้างนิวตรอนอิสระโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์หลายชนิด รวมถึงการแตกตัวของนิวเคลียสและการรวมตัวของนิวเคลียสไม่ว่าแหล่งกำเนิดนิวตรอนจะเป็นอย่างไร นิวตรอนจะถูกปล่อยออกมาด้วยพลังงานหลาย MeV 

ตามทฤษฎีการแบ่งส่วนพลังงานอย่างเท่าเทียม กัน พลังงานจลน์เฉลี่ยคือ${\displaystyle {\bar {E}}}$สามารถสัมพันธ์กับอุณหภูมิได้${\displaystyle T}$, ทาง:

${\displaystyle {\bar {E}}={\frac {1}{2}}m_{\text{n}}\langle v^{2}\rangle ={\frac {3}{2}}k_{\text{B}}T}$,

ที่ไหน${\displaystyle m_{\text{n}}}$คือมวลของนิวตรอน${\displaystyle \langle v^{2}\rangle }$คือความเร็วเฉลี่ยของนิวตรอนยกกำลังสอง และ${\displaystyle k_{\text{B}}}$คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ [ ^{2 ] [ 3 ] อุณหภูมิ}นิวตรอนลักษณะเฉพาะของนิวตรอนหลาย MeV คือหลายหมื่นล้านเคลวิน

การลดความเร็วของนิวตรอนอิสระ คือกระบวนการลดความเร็วสูง (พลังงานจลน์สูง) ในตอนเริ่มต้น เนื่องจากพลังงานเป็นธาตุอนุรักษ์ การลดความเร็วของนิวตรอนจึงเกิดขึ้นโดยการถ่ายโอนพลังงานไปยังวัสดุที่เรียกว่าตัวลด ความเร็ว

ความน่าจะเป็นของการกระเจิงของนิวตรอนจากนิวเคลียสจะกำหนดโดยพื้นที่หน้าตัดการกระเจิง การชนครั้งแรกๆ กับตัวลดความเร็วอาจมีพลังงานสูงพอที่จะกระตุ้นนิวเคลียสของตัวลดความเร็วได้ การชนเช่นนี้เป็นการชนแบบไม่ยืดหยุ่นเนื่องจากพลังงานจลน์บางส่วนถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานศักยภาพ โดยการกระตุ้น ระดับความเป็นอิสระภายในบางส่วนของนิวเคลียสให้เกิดสถานะกระตุ้นเมื่อพลังงานของนิวตรอนลดลง การชนส่วนใหญ่จะกลายเป็นการ ชนแบบ ยืดหยุ่นกล่าวคือ พลังงานจลน์และโมเมนตัมรวมของระบบ (ของนิวตรอนและนิวเคลียส) จะคงที่

จากหลักการทางคณิตศาสตร์ของการชนแบบยืดหยุ่นเนื่องจากนิวตรอนมีน้ำหนักเบามากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสส่วนใหญ่ วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการกำจัดพลังงานจลน์ออกจากนิวตรอนคือการเลือกนิวเคลียสตัวกลางที่มีมวลใกล้เคียงกัน

การชนกันของนิวตรอนที่มีมวล 1 กับ นิวเคลียส ^1H ( โปรตอน ) อาจทำให้นิวตรอนสูญเสียพลังงานเกือบทั้งหมดในการชนแบบตรงๆ เพียงครั้งเดียว โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องพิจารณาทั้งการชนแบบเฉียดและการชนแบบตรงๆค่าเฉลี่ยการลดลงของพลังงานนิวตรอนต่อการชนในเชิงลอการิทึม${\displaystyle \xi }$ขึ้นอยู่กับมวลอะตอมเท่านั้น${\displaystyle A}$ของนิวเคลียสและกำหนดโดย:

${\displaystyle \xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1-{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A+1}{A-1}}\right)}$[ ^{4 ]​}

สามารถประมาณค่าให้อยู่ในรูปแบบที่เรียบง่ายมากได้ดังนี้${\displaystyle \xi \simeq {\frac {2}{A+2/3}}}$[ ^{5 ]}จากสิ่งนี้สามารถสรุปได้^ว่า${\displaystyle n}$จำนวนการชนกันโดยเฉลี่ยของนิวตรอนกับนิวเคลียสชนิดใดชนิดหนึ่งที่จำเป็นต่อการลดพลังงานจลน์ของนิวตรอนจาก${\displaystyle E_{0}}$ถึง${\displaystyle E_{1}}$

${\displaystyle n={\frac {1}{\xi }}(\ln E_{0}-\ln E_{1})}$[ ^{5 ]​}

วัสดุ

นิวเคลียสบางชนิดมีภาคตัดขวางการดูดกลืน ที่ใหญ่ กว่าชนิดอื่น ซึ่งทำให้จำนวนนิวตรอนอิสระในฟลักซ์ ลดลง ดังนั้น เกณฑ์เพิ่มเติมสำหรับตัวลดความเร็วที่มีประสิทธิภาพคือ ตัวลดความเร็วที่มีค่าพารามิเตอร์นี้ต่ำประสิทธิภาพในการลดความเร็วแสดงถึงอัตราส่วนของ ภาคตัดขวาง การกระเจิงระดับมหภาค${\displaystyle \Sigma _{s}}$โดยถ่วงน้ำหนักด้วย${\displaystyle \xi }$หารด้วยค่าการดูดซึม${\displaystyle \Sigma _{a}}$: เช่น,${\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}}$[ ^{4 ] สำหรับตัว หน่วง}แบบผสมที่ประกอบด้วยธาตุมากกว่าหนึ่งชนิด เช่น น้ำเบาหรือน้ำหนัก จำเป็นต้องคำนึงถึงผลหน่วงและการดูดซับของทั้งไอโซโทปไฮโดรเจนและอะตอมออกซิเจนในการคำนวณ${\displaystyle \xi }$เพื่อนำนิวตรอนจากพลังงานฟิชชันของ${\displaystyle E_{0}}$2 MeV ถึง an${\displaystyle E}$1 eV คาดว่าจะใช้เวลา${\displaystyle n}$จากการชนกัน 16 ครั้งสำหรับ H₂O และ 29 ครั้ง D₂O ลำดับ ดังนั้น นิวตรอนจึงถูกลดความเร็วลงอย่างรวดเร็วโดยน้ำที่มีน้ำหนักเบา เนื่องจาก H มีค่าสูงกว่ามาก${\displaystyle \Sigma _{s}}$อย่างไรก็ตาม มันก็มีอัตราที่สูงกว่ามากเช่นกัน${\displaystyle \Sigma _{a}}$ดังนั้นประสิทธิภาพในการปรับสมดุลจึงสูงกว่าสำหรับน้ำหนักมากถึงเกือบ 80 เท่าเมื่อเทียบกับน้ำหนักเบา^{[ 4 ]}

ตัวลดความเร็วในอุดมคติควรมีมวลต่ำ พื้นที่หน้าตัดการกระเจิงสูง และพื้นที่หน้าตัดการดูดกลืนต่ำ

	ไฮโดรเจน	ดิวเทอเรียม	เบริลเลียม	คาร์บอน	ออกซิเจน	ยูเรเนียม
มวลของนิวเคลียส[ Da ]	1	2	9	12	16	238
การลดลงของพลังงาน${\displaystyle \xi }$	1	0.7261	0.2078	0.1589	0.1209	0.0084
จำนวนการชนกัน	18	25	86	114	150	2172

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนนิวเคลียสของธาตุเชื้อเพลิงหนัก เช่นยูเรเนียมจะดูดซับนิวตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ช้า ทำให้เกิดความไม่เสถียร แล้วแตกออกเป็นอะตอมขนาดเล็กสองอะตอม ( ผลิตภัณฑ์ฟิชชัน ) กระบวนการฟิชชันของนิวเคลียส^235Uจะให้ผลิตภัณฑ์ฟิชชันสองอย่าง คือ นิวตรอนอิสระที่เคลื่อนที่เร็วสองถึงสามตัว บวกกับพลังงานจำนวนหนึ่งซึ่งส่วนใหญ่แสดงออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์ฟิชชันที่กระเด็นออกมา นิวตรอนอิสระแต่ละตัวมีพลังงานจลน์ประมาณ 2 MeV เนื่องจากมีนิวตรอนอิสระถูกปล่อยออกมาจากเหตุการณ์ฟิชชันของยูเรเนียมมากกว่าจำนวนนิวตรอนความร้อนที่จำเป็นในการเริ่มต้นเหตุการณ์ ปฏิกิริยาจึงสามารถกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่เกิดขึ้นเองได้ ภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ จึงปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา

ความน่าจะเป็นของการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันเพิ่มเติมนั้นถูกกำหนดโดยภาคตัดขวางของฟิชชัน ซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็ว (พลังงาน) ของนิวตรอนที่ตกกระทบ สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน นิวตรอนพลังงานสูงในช่วง MeV มีโอกาสน้อยมาก (แต่ไม่ใช่ว่าไม่สามารถ) ที่จะทำให้เกิดฟิชชันเพิ่มเติมได้ นิวตรอนเร็วที่เพิ่งถูกปล่อยออกมา ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 10% ของความเร็วแสงจะต้องถูกทำให้ช้าลงหรือ "ลดความเร็ว" โดยทั่วไปให้เหลือความเร็วไม่กี่กิโลเมตรต่อวินาที หากต้องการให้มีโอกาสทำให้เกิดฟิชชันเพิ่มเติมใน นิวเคลียส ^235U ที่อยู่ใกล้เคียง และทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ดำเนินต่อไป ความเร็วนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิในช่วงไม่กี่ร้อยองศาเซลเซียส

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบมีตัวหน่วงนิวตรอนทั้งหมด นิวตรอนทุกระดับพลังงานจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน รวมถึงนิวตรอนเร็วด้วย เครื่องปฏิกรณ์บางชนิดมีการถ่ายเทความร้อน ได้สมบูรณ์กว่าเครื่องปฏิกรณ์ ชนิดอื่น ตัวอย่างเช่น ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDUปฏิกิริยาฟิชชันเกือบทั้งหมดเกิดจากนิวตรอนความร้อน ในขณะที่ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) ปฏิกิริยาฟิชชันส่วนใหญ่เกิดจากนิวตรอนพลังงานสูง ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำยวดยิ่ง ระบายความร้อนด้วยน้ำที่เสนอมานี้ สัดส่วนของปฏิกิริยาฟิชชันเร็วอาจเกิน 50% ทำให้ในทางเทคนิคแล้วมันเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว

เครื่องปฏิกรณ์เร็วไม่ใช้ตัวหน่วงนิวตรอน แต่ใช้ปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดจากนิวตรอนเร็วที่ไม่มีตัวหน่วงนิวตรอนเพื่อรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เร็วบางแบบ ปฏิกิริยาฟิชชันมากถึง 20% อาจมาจากปฏิกิริยาฟิชชันโดยตรงของนิวตรอนเร็วกับยูเรเนียม-238ซึ่งเป็นไอโซโทปที่ไม่สามารถเกิดฟิชชันได้เลยกับนิวตรอนความร้อน

ตัวลดความเร็วของนิวตรอนยังถูกใช้ใน แหล่งกำเนิดนิวตรอนที่ไม่ใช่เครื่องปฏิกรณ์เช่นพลูโทเนียม - เบริลเลียม (โดยใช้⁹Be ( α ,n) ¹²ปฏิกิริยา C ) และ แหล่งกำเนิด สปัลเลชัน (โดยใช้ปฏิกิริยา ( p ,xn) กับธาตุหนักที่มีนิวตรอนมากเป็นเป้าหมาย)

รูปแบบและตำแหน่งของตัวหน่วงนิวตรอนสามารถส่งผลต่อต้นทุนและความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างมาก โดยทั่วไปแล้ว ตัวหน่วงนิวตรอนจะเป็นบล็อกกราไฟต์บริสุทธิ์สูงที่ ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำ ^{[ 7 ] [ 8 ]}พร้อมท่อระบายความร้อนฝังอยู่ภายใน ตัวหน่วงนิวตรอนจะอยู่ในส่วนที่ร้อนที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์ จึงอาจเกิดการกัดกร่อนและสึกกร่อนได้ ในวัสดุบางชนิด รวมถึงกราไฟต์ การกระทบกันของนิวตรอนกับตัวหน่วงนิวตรอนอาจทำให้ตัวหน่วงนิวตรอนสะสมพลังงานวิกเนอร์ ในปริมาณที่เป็นอันตราย ปัญหานี้ทำให้เกิดเหตุการณ์ไฟไหม้วินด์ สเกลอันเลื่องชื่อ ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์วินด์สเกลไพลส์ในสหราชอาณาจักรในปี 1957 ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบหน่วงนิวตรอนด้วยกราไฟต์ที่ระบายความร้อนด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งสารหล่อเย็นและตัวหน่วงนิวตรอนสัมผัสกันจำเป็นต้องคำนึงถึงปฏิกิริยาบูดัวร์ด ด้วย กรณีนี้ก็เช่นเดียวกัน หากเชื้อเพลิงมีชั้นคาร์บอนด้านนอก—เช่นในเชื้อเพลิง TRISO บางชนิด —หรือหากชั้นคาร์บอนด้านในถูกเปิดเผยเนื่องจากความล้มเหลวของชั้นนอกหนึ่งชั้นหรือหลายชั้น

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบก้อนกรวดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกฝังอยู่ในทรงกลมของคาร์บอนไพโรไลติก เกรดเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งมีขนาดประมาณก้อนกรวด ช่องว่างระหว่างทรงกลมทำหน้าที่เป็นท่อส่ง เครื่องปฏิกรณ์จะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการอบอ่อนของวิกเนอร์ เพื่อป้องกันไม่ให้กราไฟต์สะสมพลังงานวิกเนอร์ในปริมาณที่เป็นอันตราย

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ CANDU และ PWR ตัวหน่วงนิวตรอนคือน้ำเหลว (น้ำหนักมากสำหรับ CANDU และน้ำเบาสำหรับ PWR) ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุสูญเสียสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์ PWR ตัวหน่วงนิวตรอนก็จะหายไปด้วยและปฏิกิริยาจะหยุดลงค่าสัมประสิทธิ์ช่องว่าง ที่เป็นลบนี้ เป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่สำคัญของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU ตัวหน่วงนิวตรอนจะอยู่ในวงจรน้ำหนักมากแยกต่างหาก ล้อมรอบช่องสารหล่อเย็นน้ำหนักมากที่มีแรงดัน น้ำหนักมากจะชะลอความเร็วของนิวตรอนจำนวนมากไปจนถึงค่าอินทิกรัลเรโซแนนซ์ที่²³⁸การ เพิ่มการจับนิวตรอนในไอโซโทปนี้ซึ่งประกอบขึ้นเป็นยูเรเนียมมากกว่า 99% ในเชื้อเพลิง CANDU ส่งผลให้ปริมาณนิวตรอนที่มีอยู่สำหรับการแตกตัวลดลง ผลที่ตามมาคือ การนำน้ำหนักบางส่วนออกไปจะเพิ่มปฏิกิริยาจนกระทั่งนำออกไปมากเกินไปจนมีตัวหน่วงนิวตรอนน้อยเกินไปที่จะทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ การออกแบบนี้ทำให้เครื่องปฏิกรณ์ CANDU มีค่าสัมประสิทธิ์ช่องว่างเป็นบวก แม้ว่าจลนศาสตร์นิวตรอนที่ช้ากว่าของระบบที่มีน้ำหนักเป็นตัวหน่วงนิวตรอนจะชดเชยสิ่งนี้ ทำให้มีความปลอดภัยเทียบเท่ากับ PWR ^{[ 9 ]}

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ RBMKที่ใช้น้ำเบาเป็นตัวระบายความร้อนและกราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอนซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ประเภทหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธและให้ความร้อนที่ใช้ได้ในปริมาณมาก โดยใช้ยูเรเนียมธรรมชาติและไม่ต้องใช้น้ำหนักมาก น้ำเบาที่เป็นสารหล่อเย็นทำหน้าที่หลักในการดูดซับนิวตรอน ดังนั้นการกำจัดน้ำเบาในกรณีเกิดอุบัติเหตุสารหล่อเย็นรั่วไหลหรือการเปลี่ยนน้ำเป็นไอน้ำจะทำให้ปริมาณนิวตรอนความร้อนที่พร้อมสำหรับการแตกตัวเพิ่มขึ้น หลังอุบัติเหตุนิวเคลียร์เชอร์โนบิล ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขแล้ว ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์แบบ RBMK ที่ยังคงใช้งานอยู่ทั้งหมดจึงมีค่าสัมประสิทธิ์ช่องว่างติดลบเล็กน้อย แต่จำเป็นต้อง มีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมในเชื้อเพลิงในระดับที่สูงขึ้น

ตัวลดความเร็วที่ดีจะต้องปราศจากสิ่งเจือปนที่ดูดซับนิวตรอน เช่นโบรอนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ ตัวลดความเร็วโดยทั่วไปจะมีโบรอนละลายอยู่ ความเข้มข้นของโบรอนในสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยผู้ปฏิบัติงานโดยการเติมกรดบอริกหรือเจือจางด้วยน้ำเพื่อควบคุมกำลังของเครื่องปฏิกรณ์โครงการนิวเคลียร์ของนาซีประสบความล้มเหลวอย่างมากเมื่อตัวลดความเร็วแกรไฟต์ราคาถูกใช้งานไม่ได้ ในเวลานั้น แกรไฟต์ส่วนใหญ่ถูกเคลือบลงบนอิเล็กโทรดโบรอน และแกรไฟต์เชิงพาณิชย์ของเยอรมันมีโบรอนมากเกินไป เนื่องจากโครงการของเยอรมันในช่วงสงครามไม่เคยค้นพบปัญหานี้ พวกเขาจึงถูกบังคับให้ใช้ตัวลดความเร็วน้ำหนักที่มีราคาแพงกว่ามาก ปัญหานี้ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์Leó Szilárd ^{[ 10 ]}

สารลดความเร็ว ของนิวตรอนบางชนิดมีราคาค่อนข้างสูง เช่นเบริลเลียมและน้ำหนักมากเกรดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ น้ำหนักมากเกรดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้องมีความบริสุทธิ์ 99.75% เพื่อให้สามารถทำปฏิกิริยากับยูเรเนียมที่ไม่เสริมสมรรถนะได้ การเตรียมน้ำหนักมากเกรดนี้ทำได้ยาก เนื่องจากน้ำหนักมากและน้ำธรรมดาจะสร้างพันธะเคมี แบบเดียวกัน ในลักษณะที่เกือบจะเหมือนกัน โดยมีความเร็วที่แตกต่างกันเพียง เล็กน้อย

สารลดความเร็วของนิวตรอนชนิดน้ำ (ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือน้ำธรรมดาที่บริสุทธิ์มาก) มีราคาถูกกว่ามาก แต่ดูดซับนิวตรอนมากเกินไปจนไม่สามารถใช้กับยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่ผ่านการเสริมสมรรถนะได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมหรือการแปรรูปนิวเคลียร์เพื่อใช้ในการทำงานของเตาปฏิกรณ์ดังกล่าว ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนโดยรวม ทั้งการเสริมสมรรถนะและการแปรรูปเป็นกระบวนการที่มีราคาแพงและมีความท้าทายทางเทคโนโลยี และนอกจากนี้ ทั้งการเสริมสมรรถนะและการแปรรูปหลายประเภทสามารถนำไปใช้สร้างวัสดุที่ใช้ในการผลิตอาวุธได้ ซึ่งก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยว กับ การแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์

ตัวลดความเร็วของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวลดความเร็วของนิวตรอนและตัวระบายความร้อนในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุจากการสูญเสียสารหล่อเย็นอย่างรุนแรง ถังขนาดใหญ่ที่บรรจุน้ำหนักมาก (heavy water) ที่มีอุณหภูมิต่ำและความดันต่ำ จะลดความเร็วของนิวตรอนและทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุจากการสูญเสียสารหล่อเย็นอย่างรุนแรง โดยจะแยกออกจากแท่งเชื้อเพลิงซึ่งเป็นส่วนที่สร้างความร้อน น้ำหนักมากมีประสิทธิภาพสูงในการลดความเร็ว (ลดความเร็ว) ของนิวตรอน ทำให้เครื่องปฏิกรณ์ CANDU มีคุณลักษณะที่สำคัญและโดดเด่นคือ " ความประหยัดนิวตรอน " สูง ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (light water reactor) ที่การเติมน้ำลงในแกนกลางในกรณีเกิดอุบัติเหตุอาจช่วยลดความเร็วของนิวตรอนได้มากพอที่จะทำให้ชุดประกอบที่อยู่ในสภาวะวิกฤตย่อยกลับมาอยู่ในสภาวะวิกฤตได้อีกครั้ง แต่เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักมากจะลดปฏิกิริยาลงหากเติมน้ำเบาลงในแกนกลาง ซึ่งเป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่สำคัญอีกประการหนึ่งในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุบางอย่าง อย่างไรก็ตาม น้ำหนักมากใดๆ ที่ผสมกับน้ำเบาซึ่งเป็นสารหล่อเย็นฉุกเฉินจะเจือจางเกินไปจนไม่สามารถใช้งานได้หากไม่มีการแยกไอโซโทป

การคาดการณ์ในช่วงแรกเกี่ยวกับอาวุธนิวเคลียร์นั้นสันนิษฐานว่า "ระเบิดปรมาณู" จะเป็นวัสดุฟิสไซล์จำนวนมากที่ถูกทำให้ช้าลงด้วยตัวทำให้ช้าลงของนิวตรอน ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือ "กอง" ^{[ 11 ]}มีเพียงโครงการแมนฮัตตัน เท่านั้น ที่ยอมรับแนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่ของนิวตรอนเร็วในยูเรเนียมหรือพลูโทเนียมโลหะบริสุทธิ์ ชาวอเมริกันยังพิจารณาการออกแบบตัวทำให้ช้าลงอื่นๆ ด้วย ข้อเสนอต่างๆ รวมถึงการใช้ยูเรเนียมดิวเทอไรด์เป็นวัสดุฟิสไซล์^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในปี พ.ศ. 2486 โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์และนีลส์ โบห์รได้พิจารณาความเป็นไปได้ในการใช้ "กอง" เป็นอาวุธ^{[ 14 ]}แรงจูงใจคือการใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงปฏิกิริยา จะทำให้สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้โดยไม่ต้องแยกไอโซโทป อย่างไรก็ตาม พลูโทเนียมสามารถผลิต (" เพาะเลี้ยง ") ให้มีความบริสุทธิ์ทางไอโซโทปเพียงพอที่จะใช้ในระเบิดได้ จากนั้นจึงต้อง "เพียง" แยกทางเคมี ซึ่งเป็นกระบวนการที่ง่ายกว่าการแยกไอโซโทปมาก แม้ว่าจะยังคงเป็นกระบวนการที่ท้าทายอยู่ก็ตาม ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2488 เมื่อข้อมูลเกี่ยวกับการทิ้งระเบิดปรมาณูที่ฮิโรชิมาถูกส่งต่อไปยังนักวิทยาศาสตร์ของโครงการนิวเคลียร์ของเยอรมันที่ถูกกักขังอยู่ที่ฟาร์มฮอลล์ในอังกฤษ หัวหน้านักวิทยาศาสตร์เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กได้ตั้งสมมติฐานว่าอุปกรณ์ดังกล่าวต้องเป็น "บางอย่างที่คล้ายกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยที่นิวตรอนถูกทำให้ช้าลงด้วยการชนกับตัวหน่วงปฏิกิริยาหลายครั้ง" ^{[ 15 ]}โครงการของเยอรมนีซึ่งมีความก้าวหน้าน้อยกว่ามาก ไม่เคยพิจารณาตัวเลือกพลูโตเนียมเลย และไม่ได้ค้นพบวิธีการแยกไอโซโทปขนาดใหญ่ในยูเรเนียมที่เป็นไปได้

หลังจากความสำเร็จของโครงการแมนฮัตตันโครงการอาวุธนิวเคลียร์ หลักทั้งหมด ได้อาศัยนิวตรอนเร็วในการออกแบบอาวุธ ข้อยกเว้นที่สำคัญคือการระเบิดทดสอบRuthและRay ของ ปฏิบัติการ Upshot–Knotholeเป้าหมายของ การออกแบบของ ห้องปฏิบัติการรังสีแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (UCRL) คือการสำรวจประจุโพลีเอทิลีนดิวเทอเรียมที่มียูเรเนียม^{[ 16 ] :บทที่ 15}เป็นเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เป็นไปได้^{[ 17 ] : 203}โดยหวังว่าดิวเทอเรียมจะเกิดการหลอมรวม (กลายเป็นตัวกลางที่ใช้งานได้) หากถูกบีบอัดอย่างเหมาะสม หากประสบความสำเร็จ อุปกรณ์เหล่านี้อาจนำไปสู่ตัวปฐมภูมิขนาดกะทัดรัดที่มีวัสดุฟิสไซล์น้อยที่สุด และมีพลังมากพอที่จะจุดระเบิด RAMROD ^{[ 17 ] : 149}ซึ่งเป็นอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ออกแบบโดย UCRL ในขณะนั้น สำหรับตัวปฐมภูมิแบบ "ไฮไดรด์" ระดับการบีบอัดจะไม่ทำให้ดิวเทอเรียมเกิดการหลอมรวม แต่การออกแบบสามารถถูกเร่งให้เพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก^{[ 18 ] : 258}แกนกลางประกอบด้วยส่วนผสมของยูเรเนียมดิวเทอไรด์ (UD ) ^{[ 17 ] : 202}และโพลีเอทิลีนดิวเทอเรต แกนกลางที่ทดสอบในเรย์ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำใน U ²³⁵และในการยิงทั้งสองครั้ง ดิวเทอเรียมทำหน้าที่เป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน^{[ 18 ] : 260}ผลผลิตที่คาดการณ์ไว้คือ 1.5 ถึง 3 กิโลตันสำหรับรูธ (โดยมีผลผลิตศักยภาพสูงสุด 20 กิโลตัน^{[ 19 ] : 96} ) และ 0.5-1 กิโลตันสำหรับเรย์การทดสอบให้ผลผลิต 200 ตันของ TNTต่อครั้ง การทดสอบทั้งสองครั้งถือว่าล้มเหลว^{[ 12 ] [ 13 ]}

ผลข้างเคียงของการใช้ตัวหน่วงในระเบิดนิวเคลียร์คือ เมื่อปฏิกิริยาลูกโซ่ดำเนินไป ตัวหน่วงจะร้อนขึ้น ทำให้สูญเสียความสามารถในการทำให้นิวตรอนเย็นลง ผลกระทบอีกประการหนึ่งของการใช้ตัวหน่วงคือ เวลาที่ใช้ระหว่างนิวตรอนรุ่นถัดไปจะเพิ่มขึ้น ทำให้ปฏิกิริยาช้าลง ซึ่งทำให้การควบคุมการระเบิดเป็นปัญหาแรงเฉื่อยที่ใช้ในการจำกัด ระเบิด แบบยุบตัวจะไม่สามารถจำกัดปฏิกิริยาได้ ผลที่ได้อาจเป็นการระเบิดที่ไม่รุนแรง พลังการระเบิดของการระเบิดที่มีตัวหน่วงอย่างสมบูรณ์จึงมีจำกัด ในกรณีที่แย่ที่สุดอาจเท่ากับระเบิดเคมีที่มีมวลใกล้เคียงกัน ตามที่ไฮเซนเบิร์กกล่าวไว้ว่า "เราไม่สามารถสร้างวัตถุระเบิดด้วยนิวตรอนช้าได้ แม้แต่ด้วยเครื่องจักรน้ำหนักเบา เพราะนิวตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วความร้อนเท่านั้น ส่งผลให้ปฏิกิริยาช้ามากจนวัตถุระเบิดก่อนที่ปฏิกิริยาจะเสร็จสมบูรณ์" ^{[ 20 ]}แม้ว่าระเบิดนิวเคลียร์ที่ทำงานด้วยนิวตรอนความร้อนอาจเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ แต่การออกแบบอาวุธสมัยใหม่อาจยังคงได้รับประโยชน์จากการใช้ตัวหน่วงในระดับหนึ่ง ตัวหน่วงเบริลเลียมที่ใช้เป็นตัวสะท้อนนิวตรอนจะทำหน้าที่เป็นตัวหน่วง^{[ 21 ] [ 22 ]}

• ไฮโดรเจน เช่นเดียวกับใน "น้ำเบา" ทั่วไป เนื่องจากโปรเทียมมีภาคตัดขวางการจับนิวตรอนที่สำคัญเช่นกัน จึงสามารถลดความเร็วของนิวตรอนได้ในระดับจำกัดเท่านั้นโดยไม่สูญเสียนิวตรอนมากเกินไป นิวตรอนที่ลดความเร็วลงน้อยกว่ามีแนวโน้มที่จะถูกจับโดยยูเรเนียม-238 มากกว่า และมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับยูเรเนียม-235 น้อยกว่า ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาจึงต้องใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะในการทำงาน
  • นอกจากนี้ ยังมีข้อเสนอให้ใช้สารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างยูเรเนียมโลหะและไฮโดรเจน ( ยูเรเนียมไฮไดรด์ — ) เป็นทั้งเชื้อเพลิงและตัวหน่วงนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดใหม่ด้วย
  • นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังถูกนำมาใช้ในรูปของมีเทน เหลวแช่แข็ง และบางครั้งก็ เป็น ไฮโดรเจนเหลวในฐานะ แหล่งกำเนิด นิวตรอนเย็นในเครื่องปฏิกรณ์วิจัย บางประเภท ส่งผลให้ได้การกระจายตัวแบบแม็กซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์สำหรับนิวตรอน ซึ่งค่าสูงสุดจะเลื่อนไปอยู่ที่พลังงานที่ต่ำกว่ามาก
  • ในการทดลองยุคแรกๆ ของเยอรมนีบางส่วน มีการใช้ไฮโดรเจนรวมกับคาร์บอน เช่นเดียวกับในพาราฟินแว็กซ์
• ดิวเทอเรียมในรูปของน้ำหนักมาก (heavy water ) ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักมาก เช่น CANDU เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำหนักมากเป็นตัวหน่วงนิวตรอน สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ ที่ไม่ผ่านการเสริมสมรรถนะ ได้
• คาร์บอนในรูปของกราไฟต์เกรดเครื่องปฏิกรณ์^{[ 7 ]}หรือคาร์บอนไพโรไลติก ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ RBMK และเครื่องปฏิกรณ์แบบก้อนกรวด หรือในสารประกอบ เช่นคาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์มีอะตอมออกซิเจนมากกว่าอะตอมคาร์บอนถึงสองเท่า และทั้งสองมีผลในการลดความเร็วของนิวตรอนและดูดซับนิวตรอนในช่วงที่ใกล้เคียงกัน (ดูข้างต้น) ส่วนสำคัญของการลดความเร็วของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวช่วย (ซึ่งยังไม่ได้สร้าง) จะมาจากออกซิเจน เครื่องปฏิกรณ์ที่อุณหภูมิต่ำมีแนวโน้มที่จะเกิดการสะสมของพลังงานวิกเนอร์ในวัสดุ เช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ดิวเทอเรียมเป็นตัวช่วย เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้บางส่วนสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่เสริมสมรรถนะได้
  • ใน เครื่องปฏิกรณ์วิจัยบางเครื่อง จะมีการให้ความร้อนแก่กราไฟต์โดยเจตนาจนถึงประมาณ 2000 เคลวินหรือสูงกว่านั้นเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดนิวตรอนร้อน ซึ่งจะให้การกระจายแบบแม็กซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ โดยที่ค่าสูงสุดจะกระจายออกไปเพื่อสร้างนิวตรอนที่มีพลังงานสูงขึ้น
• เบริลเลียมในรูปของโลหะ เบริลเลียมมีราคาแพงและเป็นพิษ ดังนั้นการใช้งานจึงมีจำกัด เบริลเลียมถูกใช้ใน เครื่อง ปฏิกรณ์S2G ^{[ 23 ] [ 24 ]}
• ลิเธียม -7 ในรูปของ เกลือ ลิเธียมฟลูออไรด์โดยทั่วไปจะใช้ร่วมกับเกลือเบริลเลียมฟลูออไรด์ ( FLiBe ) นี่คือตัวหน่วงนิวตรอนชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดใน เครื่องปฏิกรณ์แบบ ใช้เกลือหลอมเหลว

วัสดุนิวเคลียสเบาอื่นๆ ไม่เหมาะสมด้วยเหตุผลหลายประการฮีเลียมเป็นก๊าซและต้องใช้การออกแบบพิเศษเพื่อให้ได้ความหนาแน่นที่เพียงพอลิเธียม -6 และโบรอน -10 ดูดซับนิวตรอน