เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาแบบความดันสูง ( PHWR ) เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้น้ำหนักเบา ( ดิวเทอเรียมออกไซด์ D₂O เป็นสารหล่อเย็นและตัวหน่วงนิวตรอน [ ^{1 ] PHWR}มักใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง แต่บางครั้งก็ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ มากด้วย น้ำหนักเบาที่เป็นสารหล่อเย็นจะถูกเก็บไว้ภายใต้ความดันเพื่อหลีกเลี่ยงการเดือด^{[ 2 ]}ทำให้สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้น (ส่วนใหญ่) โดยไม่เกิดฟองไอน้ำ เช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำความดันสูง (PWR) แม้ว่าน้ำหนักเบาจะมีราคาแพงมากในการแยกออกจากน้ำธรรมดา (มักเรียกว่าน้ำเบาเมื่อเทียบกับน้ำหนักเบา ) แต่การดูดซับนิวตรอนต่ำของมันช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้นิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์อย่างมาก หลีกเลี่ยงความจำเป็นในการใช้เชื้อเพลิงเสริมสมรรถนะต้นทุนที่สูงของน้ำหนักเบาจะถูกชดเชยด้วยต้นทุนที่ลดลงของการใช้ยูเรเนียมธรรมชาติและ/หรือวงจรเชื้อเพลิงทางเลือก ณ ปี 2025 มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ PHWR จำนวน 43 เครื่องที่กำลังใช้งานอยู่ โดยมีกำลังการผลิตรวม 23,430 กิกะวัตต์ (เทียบเท่าพลังงาน) คิดเป็นประมาณ 11% ของจำนวน และ 6.5% ของกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่ทั้งหมดในปัจจุบัน เครื่อง ปฏิกรณ์ แบบ CANDUและIPHWRเป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุดในตระกูล PHWR ส่วนแบบอื่นๆ ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ PHWR KWU ที่ออกแบบโดยประเทศเยอรมนี ซึ่งติดตั้งอยู่ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์อาตูชาในอาร์เจนตินา

หัวใจสำคัญของการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือ การใช้โดยเฉลี่ยแล้วนิวตรอนหนึ่งตัวที่ปล่อยออกมาจากแต่ละเหตุการณ์การแตกตัวของนิวเคลียสเพื่อกระตุ้นให้เกิดเหตุการณ์การแตกตัวของนิวเคลียสอีกครั้ง (ในนิวเคลียสที่สามารถแตกตัวได้อีกตัว) ด้วยการออกแบบรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์อย่างระมัดระวัง และการควบคุมสารต่างๆ ที่มีอยู่เพื่อให้มีผลต่อปฏิกิริยาปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนหรือ " ภาวะวิกฤต " สามารถเกิดขึ้นและคงอยู่ได้

ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทป ต่างๆ โดยส่วนใหญ่เป็น²³⁸ U และ ²³⁵ Uในปริมาณที่น้อยกว่ามาก (ประมาณ 0.72% โดยน้ำหนัก) ^{[ 3 ]}

^{ยูเรเนียม -238}สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้เฉพาะกับนิวตรอนที่มีพลังงานค่อนข้างสูง ประมาณ 1 MeVหรือสูงกว่านั้น ไม่ สามารถทำให้ยูเรเนียม ^-238อยู่ในสภาวะ "วิกฤต" ได้ เนื่องจากมันจะดูดซับนิวตรอนมากกว่าที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการฟิชชัน ในทางกลับกัน ยูเรเนียม ^{-235 สามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบต่อเนื่องได้ แต่เนื่องจากยูเรเนียม -235}มีปริมาณในธรรมชาติค่อนข้างน้อยยูเรเนียมธรรมชาติจึงไม่สามารถเข้าสู่สภาวะวิกฤตได้ด้วยตัวเอง

ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบากลยุทธ์ในการทำให้เกิดภาวะวิกฤต โดยใช้ ยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำเท่านั้นซึ่งไม่มีมวลวิกฤต "ที่แท้จริง" คือการชะลอความเร็วของนิวตรอนที่ปล่อยออกมา (โดยไม่ดูดซับ) จนถึงจุดที่นิวตรอนเหล่านั้นมากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ต่อไปในปริมาณ^235Uที่มีอยู่เล็กน้อย ( ^238Uซึ่งเป็นส่วนใหญ่ของยูเรเนียมธรรมชาติก็สามารถเกิดฟิชชันด้วยนิวตรอนเร็วได้เช่นกัน) สิ่งนี้จำเป็นต้องใช้ตัวลดความเร็วของนิวตรอน ซึ่งจะดูดซับ พลังงานจลน์ของนิวตรอนเกือบทั้งหมด ทำให้ความเร็วของนิวตรอน ลดลงจนถึงจุดที่สมดุลทางความร้อนกับวัสดุโดยรอบ พบว่าการแยกกระบวนการลดความเร็วของนิวตรอนออกจากเชื้อเพลิงยูเรเนียม นั้นเป็นประโยชน์ต่อ เศรษฐกิจนิวตรอน เนื่องจาก ^238Uมีโอกาสสูงที่จะดูดซับนิวตรอนที่มีระดับพลังงานจลน์ระดับกลาง ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เรียกว่าการดูดซับแบบ "เรโซแนนซ์" นี่เป็นเหตุผลพื้นฐานในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยใช้ส่วนเชื้อเพลิงแข็งแยกกัน ล้อมรอบด้วยตัวลดความเร็วของนิวตรอน แทนที่จะใช้รูปทรงใดๆ ที่จะทำให้เชื้อเพลิงและตัวลดความเร็วของนิวตรอนผสมกันอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน

ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาน้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอนที่ดีเยี่ยม อะตอม ไฮโดรเจนหรือโปรเทียม ธรรมดา ในโมเลกุลของน้ำมีมวลใกล้เคียงกับนิวตรอนเดี่ยวมาก ดังนั้นการชนกันของพวกมันจึงส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนโมเมนตัมอย่างมีประสิทธิภาพ คล้ายกับการชนกันของลูกบิลเลียดสองลูก อย่างไรก็ตาม นอกจากจะเป็นตัวหน่วงนิวตรอนที่ดีแล้ว น้ำธรรมดายังดูดซับนิวตรอนได้ค่อนข้างดีอีกด้วย ดังนั้นการใช้น้ำธรรมดาเป็นตัวหน่วงนิวตรอนจะดูดซับนิวตรอนมากเกินไปจนเหลือน้อยเกินไปที่จะรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่กับ นิวเคลียส ^235U ขนาดเล็กที่แยกตัว อยู่ในเชื้อเพลิง ซึ่งจะทำให้ไม่เกิดภาวะวิกฤตในยูเรเนียมธรรมชาติ ด้วยเหตุนี้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาจึงจำเป็นต้อง มีการเพิ่มความเข้มข้นของไอโซโทป ^235Uในเชื้อเพลิงยูเรเนียมในรูปของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ โดยทั่วไปจะมี ^235Uอยู่ระหว่าง 3% ถึง 5% โดยน้ำหนัก (ผลพลอยได้จากกระบวนการเสริมสมรรถนะนี้เรียกว่ายูเรเนียมพร่องซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วย^238Uที่บริสุทธิ์ทางเคมี) ระดับการเสริมสมรรถนะที่จำเป็นเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาวิกฤตด้วย ตัวหน่วง นิวตรอนน้ำเบาขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอนและพารามิเตอร์การออกแบบอื่นๆ ของเครื่องปฏิกรณ์

หนึ่งในปัญหาของการใช้แนวทางน้ำเบาคือความจำเป็นต้องมีโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียม ซึ่งโดยทั่วไปแล้วมีค่าใช้จ่ายสูงในการก่อสร้างและดำเนินการ นอกจากนี้ยังก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยว กับ การแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ ด้วย เนื่องจาก ระบบเดียวกันที่ใช้ในการเสริมสมรรถนะ^{235U ยังสามารถนำไปใช้ผลิตวัสดุ} เกรดอาวุธที่ "บริสุทธิ์" มากกว่า(90% หรือมากกว่าของ^235U ) ซึ่งเหมาะสมสำหรับการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้นี่ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อยเลย แต่ก็มีความเป็นไปได้มากพอที่จะทำให้โรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์อย่างมีนัยสำคัญ

วิธีแก้ปัญหาใน เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาแรงดันสูง ( PHWR ) คือการใช้ตัวลดความเร็วของนิวตรอนที่ไม่ดูดซับนิวตรอนได้ง่ายเหมือนน้ำ ในกรณีนี้ นิวตรอนที่ปล่อยออกมาทั้งหมดอาจถูกลดความเร็วและนำไปใช้ในปฏิกิริยากับ 235U ^ซึ่งในกรณีนี้จะมี^235Uในยูเรเนียมธรรมชาติเพียงพอ ที่จะรักษาสภาวะวิกฤตได้ ตัวลดความเร็วชนิดหนึ่งคือ น้ำหนักเบาหรือดิวเทอเรียมออกไซด์ แม้ว่ามันจะทำปฏิกิริยากับนิวตรอนในลักษณะที่คล้ายกับน้ำเบา (แม้ว่าจะมีการถ่ายโอนพลังงานโดยเฉลี่ยน้อยกว่า เนื่องจากไฮโดรเจนหนักหรือดิวเทอเรียมมีมวลประมาณสองเท่าของไฮโดรเจน) แต่มันก็มีนิวตรอนพิเศษที่น้ำเบามักจะดูดซับไว้

ในขณะที่ก่อนที่อินเดียจะพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ (ดูด้านล่าง) ความสามารถในการใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ (และด้วยเหตุนี้จึงไม่ต้องพึ่งพาการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมซึ่งเป็น เทคโนโลยี สองวัตถุประสงค์ ) ถูกมองว่าเป็นการขัดขวางการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ ความคิดเห็นนี้ได้เปลี่ยนไปอย่างมากเมื่อพิจารณาจากความสามารถของหลายประเทศในการสร้างระเบิดปรมาณูจากพลูโทเนียม ซึ่งสามารถผลิตได้ง่ายในเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบา เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาจึงอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์มากกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ที่เทียบเคียงกันได้ เนื่องจากคุณสมบัติการดูดซับนิวตรอนต่ำของน้ำหนักเบา ซึ่งค้นพบในปี 1937 โดยHans von HalbanและOtto Frisch [ ^{6 ] ใน}บางครั้ง เมื่ออะตอมของ²³⁸ Uสัมผัสกับรังสีนิวตรอนนิวเคลียสของมันจะจับนิวตรอนเปลี่ยนเป็น²³⁹ U จากนั้น 239 U จะเกิดการสลายตัวแบบ β ^{− สองครั้งอย่างรวดเร็ว โดย}ทั้งสองครั้งจะปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนครั้งแรกจะเปลี่ยน²³⁹ U เป็น²³⁹ Npและครั้งที่สองจะเปลี่ยน²³⁹ Np เป็น²³⁹ Puแม้ว่ากระบวนการนี้จะเกิดขึ้นกับยูเรเนียมธรรมชาติโดยใช้ตัวหน่วงอื่นๆ เช่น กราไฟต์บริสุทธิ์พิเศษหรือเบริลเลียม แต่น้ำหนักมากถือเป็นตัวหน่วงที่ดีที่สุด^{[ 6 ]}โครงการแมนฮัตตันใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่มีกราไฟต์เป็นตัวหน่วงเพื่อผลิตพลูโทเนียม ในขณะที่โครงการนิวเคลียร์ของเยอรมนีในช่วงสงครามได้ปฏิเสธกราไฟต์อย่างผิดพลาดว่าเป็นตัวหน่วงที่เหมาะสมเนื่องจากมองข้ามสิ่งเจือปน และจึงพยายามใช้น้ำหนักมาก (ซึ่งพวกเขาได้ระบุอย่างถูกต้องว่าเป็นตัวหน่วงที่ยอดเยี่ยม) แต่ไม่ประสบความสำเร็จ โครงการนิวเคลียร์ของโซเวียตก็ใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอนเช่นกัน และในที่สุดก็พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์RBMKที่ใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอน ซึ่งสามารถผลิตทั้งพลังงานไฟฟ้าปริมาณมากและพลูโทเนียมเกรดอาวุธได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้น้ำหนักมาก หรืออย่างน้อยก็ไม่ต้องเสริมสมรรถนะยูเรเนียมตามข้อกำหนดการออกแบบเบื้องต้น

^239Puเป็นวัสดุฟิสไซล์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ดังนั้น หากมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาบ่อยครั้งจะสามารถสกัดพลูโทเนียมเกรดอาวุธ ได้ในปริมาณมากจากเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติที่ผ่านการฉายรังสีโดย กระบวนการแปรรูปนิวเคลียร์

นอกจากนี้ การใช้น้ำหนักมากเป็นตัวหน่วงส่งผลให้เกิดการผลิตทริเทียม ในปริมาณเล็กน้อย เมื่อ นิวเคลียส ของดิวเทอเรียมในน้ำหนักมากดูดซับนิวตรอน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ไม่มีประสิทธิภาพมากทริเทียมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตอาวุธฟิสชันแบบเร่งความเร็วซึ่งจะช่วยให้การผลิตอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์รวมถึงระเบิดนิวตรอน ทำได้ง่ายขึ้น ปัจจุบันคาดว่ากระบวนการนี้จะให้ทริเทียม (อย่างน้อยบางส่วน) สำหรับITER ^{[ 7 ]}

ความเสี่ยงในการแพร่กระจายของเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาได้รับการพิสูจน์แล้วเมื่ออินเดียผลิตพลูโทเนียมสำหรับปฏิบัติการ Smiling Buddhaซึ่งเป็นการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรก โดยการสกัดจากเชื้อเพลิงใช้แล้วของเครื่องปฏิกรณ์วิจัยน้ำหนักเบาที่รู้จักกันในชื่อเครื่องปฏิกรณ์ CIRUS ^{[ 8 ]}

• โรงไฟฟ้า นิวเคลียร์ชิคาโกไพล์-3เป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เครื่องแรกที่ใช้น้ำหนักเบา
• เครื่องปฏิกรณ์ CANDU : ประเภทหลักของเครื่องปฏิกรณ์ PHWR
• IPHWR-700และIPHWR-220เป็นหัวรถจักรไอน้ำแบบ PHWR ที่พัฒนาขึ้นในอินเดีย
• รายชื่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง

• เว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ AECL