Um é uma câmara de resfriamento hermética, blindada contra a radiação, onde é controlada uma reação nuclear para a obtenção de energia, produção de materiais fissionáveis como o plutônio para armamentos nucleares, radioisótopos para a medicina nuclear, propulsão de navios, submarinos e satélites artificiais ou para pesquisas.
Uma central nuclear pode conter vários reatores. Atualmente apenas os reatores nucleares de fissão são empregados para a produção de energia comercial, porém os reatores nucleares de fusão estão sendo empregados em fase experimental.
De uma forma simples, as primeiras versões de reator nuclear produzem calor dividindo átomos, diferentemente das estações de energia convencionais, que produzem calor queimando combustível. O calor serve para produzir vapor de água, que irá fazer funcionar turbinas a vapor para gerar electricidade. Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiação neutrónica e gama. Ambas são mortais para todas as formas de vida mesmo em quantidades pequenas, causando doenças, leucemia e, por fim, a morte. O reactor deve estar rodeado de um espesso escudo de cimento e aço, para evitar fugas prejudiciais de radiação. As matérias radioactivas são manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo, um excelente escudo contra a radiação. Segundo relatórios da IAEA, em 2014 existiam 435 reatores nucleares em operação em 31 países ao redor do globo. Esse número aumentou em 2017 para 447 reatores operáveis de acordo com a World Nuclear Association.
Reatores de fissão
thumb|300px|right|Varetas de controlo no núcleo, de materiais absorventes de nêutrons, permitem regular o ritmo da fissão. Estas serão metidas ou retiradas consoante a necessidade de estabilização.
Num reactor nuclear de fissão utiliza-se o urânio natural, na maior parte dos casos - uma mistura de U-238 (Urânio-238) e de U-235 (Urânio-235) - por vezes enriquecido com extra U-235. O U-238 tem tendência para absorver os de alta velocidade originados pela divisão dos átomos U-235, mas não absorve nêutrons lentos tão rapidamente. Assim, num reator é incluída uma substância moderadora nuclear que, juntamente com o urânio, abranda os nêutrons. O U-238, por sua vez, já não os absorve tão facilmente e a fissão continua.
Um reator nuclear de fissão apresenta, essencialmente, as seguintes partes:
Combustível nuclear: isótopo físsil e/ou fértil (aquele que pode ser convertido em físsil por ativação neutrônica): Urânio-233, Urânio-235, Urânio-238, Plutônio-239, Tório-232, ou misturas destes (o combustível típico atualmente é o MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio). Moderador nuclear: água leve, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico: cumprem a função de reduzir a velocidade dos neutrões produzidos na fissão, para que possam atingir outros átomos fissionáveis mantendo a reação. Refrigerador: água leve, água pesada, dióxido de carbono, hélio, sódio metálico conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade ou o propulsor. Refletor de neutrões (água leve, água pesada, grafite, urânio): reduz o escapamento de nêutrons aumentando a eficiência do reator. Blindagem (concreto, chumbo, aço, água leve): evita o escapamento de radiação gama e nêutrons rápidos. Material de controlo (cádmio ou boro): finaliza a reação em cadeia, pois ambos são óptimos absorventes de nêutrons. Geralmente são usados na forma de barras (de aço borado, por exemplo) ou bem dissolvidos no refrigerador. Elementos de Segurança: todas as centrais nucleares de fissão apresentam múltiplos sistemas de segurança ativos (que respondem a sinais elétricos) e passivos (que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo). A contenção de que rodeia os reactores é o principal sistema de segurança e destina-se a evitar que ocorra vazamento de radiação para o exterior.
O núcleo do reactor é construído dentro de um forte recipiente de aço que contém varetas de combustível feitas de materiais cindíveis (físseis) metidos dentro de tubos. Essas varetas produzem calor enquanto o combustível sofre a cisão (fissão). Hastes de controle, geralmente de boro ou cádmio - para absorver facilmente os nêutrons -, são introduzidas e retiradas do núcleo, conforme a necessidade de estabilizar a reacção, variando a corrente de neutrões no núcleo, controlando o ritmo de cisão e, portanto, o calor produzido. As hastes estão rodeadas por um moderador, que reduz a velocidade a que os nêutrons são produzidos pelo combustível. Percorrendo o núcleo corre um refrigerante, líquido ou gasoso, que, ao ser aquecido pelo calor liberado, gera vapor de água que será canalizado para turbinas.
Mecanismo
upright=1.15|thumb|Um evento de fissão nuclear induzido. Um nêutron é absorvido pelo núcleo de um átomo de urânio-235, que por sua vez se divide em elementos mais leves (produtos de fissão) e nêutrons livres. Tanto reatores nucleares quanto armas nucleares usam reações nucleares em cadeia, mas a taxa de reações nucleares em um reator ocorre de forma bem mais lenta do que em uma bomba.
Assim como usinas termoelétricas convencionais geram energia elétrica convertendo a energia térmica liberada pela queima de combustíveis fósseis, reatores nucleares convertem a energia liberada pela fissão nuclear controlada em energia térmica para posterior conversão em formas mecânicas ou elétricas
Fissão
Quando um grande núcleo atômico físsil como o urânio-235 ou plutônio-239 absorve um nêutron, ele pode sofrer fissão nuclear. O núcleo pesado se divide em dois ou mais núcleos mais leves (os produtos da fissão), liberando energia cinética, raios gama e nêutrons livres. Uma parte desses nêutrons livres pode depois ser absorvida por outros átomos físseis e desencadear novos eventos de fissão posteriormente, que liberam mais energia. Isso é conhecido como reação em cadeia. Um desses eventos dentre os vários possíveis é:
Para controlar essas reações em cadeia absorvedores de nêutrons e moderadores de nêutrons são usados; eles podem mudar a porção de nêutrons que irá causar mais fissão. Reatores nucelares geralmente tem sistemas automáticos e manuais para encerrar a reação de fissão se o sistema de monitoramento detectar condições perigosas.
Moderadores que são comumente utilizados incluem a água leve (em 74,8% dos reatores do globo), grafite sólido (20% dos reatores) e água pesada (5% dos reatores). Alguns tipos experimentais de reatores tem usado berílio e hidrocarbonetos tem sido sugeridos como outra possibilidade.
Geração de calor
O núcleo do reator gera calor de uma forma variada: A energia cinética dos produtos da fissão é convertida em energia térmica quando os núcleos colidem com os átomos próximos. O reator absorve parte da radiação gama produzida durante a fissão e converte a sua energia em calor. Calor é produzido pelo decaimento radioativo dos produtos da fissão e materiais tem sido ativados pela absorção de nêutrons. Essa fonte de calor por decaimento radioativo vai continuar por algum tempo mesmo que o reator seja desativado.
Um quilograma de urânio-235 (U-235) convertido pelo processo nuclear libera aproximadamente três milhões de vezes mais energia que um quilograma de carvão queimado convencionalmente (7,2 × 1013 joules por quilograma de U-235 contra 2,4 × 107 joules por kg de carvão).
Refrigeração
Um refrigerante de reator nuclear circula pelo núcleo do reator para absorver o calor que ele gera, geralmente água é usada mas a vezes um gás, metal líquido (como sódio) ou sal derretido também são utilizados. O calor é retirado do reator e é então utilizado para gerar vapor. A maioria dos projetos de reatores empregam um sistema de refrigeração que está fisicamente separado da água que será fervida para produzir vapor pressurizado para as turbinas, como qualquer reator de água pressurizada. No entanto, em alguns reatores a água das turbinas de vapor é fervida diretamente pelo núcleo do reator; como por exemplo um reator do tipo BWR.
Controle de reatividade
A taxa de fissão dentro de um núcleo de reator pode ser ajustada ao se controlar a quantidade de nêutrons que são capazes de induzir outros eventos de fissão posteriores. Reatores nucleares tipicamente usam vários métodos de controle de nêutrons para ajustar a potência do reator. Alguns desses métodos vindo naturalmente da física de decaimento radioativo e são simplesmente considerados durante a operação do reator, enquanto outros mecanismos são inseridos no projeto do reator para um propósito distinto.
thumb|270px|direita|Com as hastes de controle abaixadas, a reação é subcrítica: muitos nêutrons são absorvidos para que ocorra uma reação em cadeia. Elevar as hastes torna o reator crítico e as barras de combustível começam a produzir calor.
O método mais rápido para ajustar os níveis de nêutrons que induzem a fissão é pelo movimento de hastes de controle. Hastes de controle são feitas de materiais absorvedores de nêutrons e portanto tendem a absorve-los. Quando uma haste de controle é inserida profundamente no reator, ela absorve mais nêutrons do que o moderador. Essa ação resulta em menos nêutrons disponíveis para causar fissões e reduz a potência do reator. Inversamente, ao se extrair a haste de controle do reator vai resultar em um aumento das taxas de fissão, logo, um aumento na potência.
A física de decaimento radioativo também afeta as populações de nêutrons nos reatores. Um dessas processo é a emissão de nêutrons lentos por um número de isótopos cujas fissões são ricas em nêutrons. Esses nêutrons atrasados correspondem por cerca de 0,65% do total dos nêutrons produzidos em uma fissão, com o restante (chamados de "nêutrons prontos") sendo os liberados imediatamente após a fissão. Os produtos da fissão que produzem nêutrons atrasados possuem meia-vidas de mili-segundos até alguns minutos, decaindo por emissão de nêutron, assim sendo, um tempo considerável é necessário para se determinar exatamente quando um reator atinge o ponto de criticalidade. Manter o reator na zona de reatividade em cadeia onde nêutrons atrasados são "necessários" para atingir estado de criticalidade permite que dispositivos mecânicos ou operadores humanos controlem a reação em cadeia em "tempo real". No entanto, o tempo entre atingir massa crítica e derretimento nuclear com um resultado do aumento exponencial da potência por meio de reações em cadeia normais seria curto demais para permitir algum forma de intervenção. Esse último estágio onde nêutrons atrasados já não são necessários para manter criticalidade é conhecido como ponto de criticalidade pronta.
Em alguns reatores, o refrigerante também age como um moderador de nêutron. Um moderador aumenta a potência do reator ao criar nêutrons rápidos que são liberados da fissão para perder energia e se tornarem nêutrons térmicos. nêutrons térmicos tem maiores chances de causar fissão do que nêutrons rápidos. Se o refrigerante também é um moderador, então as mudanças de temperatura podem afetar a densidade do refrigerante/moderador e então causar mudança na potência. Uma maior temperatura vai causar a dilatação do refrigerante e deixa-lo menos denso e assim, tornando-o menos efetivo como moderador.
Em outros reatores o refrigerante age como um absorvedor de nêutrons da mesma forma como as hastes de controle fazem. Nesses reatores, a potência pode ser aumentada ao se aumentar a temperatura do refrigerante, o que faz com que se torne menos denso e assim diminua a chance de um nêutron atingir o refrigerante e ser absorvido por ele. Reatores nucelares geralmente tem sistemas manuais e automáticos para desligar imediatamente o reator em caso de desligamento de emergência. Esse sistemas inserem grandes quantidades de absorvedores de nêutrons (frequentemente boro na forma de ácido bórico) no reator para interromper a reação de forma urgente se condições perigosas de operação são detectadas ou antecipadas.