thumb|upright=1.35|Schema simplificată a unui reactor nuclear de fisiune de tip BWR 1. bare pentru oprire de urgență 2. bare de control 3. combustibil 4. radioprotecție 5. ieșirea vaporilor 6. intrarea apei 7. protecție termică Un reactor nuclear este o instalație în care are loc o reacție de fisiune sau fuziune nucleară în lanț în condiții controlate, astfel încât să poată fi valorificată căldura rezultată în urma procesului.
Reactorii nucleari au trei tipuri de aplicații. Cea mai semnificativă aplicație comercială este producerea de energie electrică sau de căldură (termoficare, procese industriale). O altă aplicație este propulsia navală (în special pentru scopuri militare). Există și reactori nucleari pentru cercetare unde fascicolele de neutroni se folosesc pentru activități științifice sau pentru producerea de radioizotopi destinați utilizărilor civile (medicină, industrie, cercetare), sau militare (arme nucleare).
Istoric Enrico Fermi și Leó Szilárd, ambii de la Universitatea din Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și au prezentat o reacție în lanț controlată, la 2 decembrie 1942. În 1955 ei și-au împărțit patentul de invenție pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656. Primul reactor nuclear din SUA a fost utilizat pentru a produce plutoniu pentru arma nucleară. Alți reactori au fost folosiți în propulsia navală (submarine, nave militare).
La 20 decembrie 1951, în SUA a fost generat pentru prima dată curent electric folosind fisiunea nucleară la reactorul rapid experimental (EBR-1) aflat lângă Arco, statul Idaho. La 26 iunie 1954 a început să genereze curent electric reactorul nuclear de la Obninsk. Alți reactori de putere au început să funcționeze la Calder Hall în 1956 și Shippingport - Pennsylvania în 1957. Expresia optimismului față de energia nucleară a fost celebra sintagma a lui Lewis Strauss, președintele USAEC too cheap to matter (în ).
Utilizarea comercială a energeticii nucleare începe cu reactorul prototip (PWR) Yankee Rowe de 250 MWe pus în funcțiune de Westinghouse în 1960 și cu reactorul (BWR) Dresden-1 de 250 MWe proiectat de General Electric și pus în funcțiune în tot în 1960. În Canada a fost dezvoltat reactorul CANDU, prima unitate fiind pusă în funcțiune în 1962. Franța a început dezvoltarea reactorului cu gaz-grafit și a pus în funcțiune primul reactor comercial în 1959. Ulterior a adoptat filiera PWR pe care o dezvoltă și în prezent. Uniunea Sovietică a pus în funcțiune primul prototip comercial (grafit și apă în fierbere) de 100 MW la Beloyarsk. Ulterior a dezvoltat filiera cu apă ușoară cunoscută sub denumirea VVER. Embargoul petrolier din 1973 a dat un puternic impuls energeticii nucleare. Cel mai spectaculos program nuclear a fost cel francez, care totaliza 34 900 MWe. Pe lângă SUA (20 % din producția de electricitate), programe nucleare importante au fost demarate în multe țări europene (Germania, Suedia, Spania, Belgia, Italia, Elveția, Finlanda, Cehia) sau din Asia (Japonia, Coreea de Sud).
Stagnarea și declinul energeticii nucleare a început la sfârșitul anilor 1970 și au fost determinate de mai mulți factori: Descoperirea în Marea Nordului a uriașe cantități de gaze naturale ce au reprezentat în Europa o alternativă energetică mai ieftină decât energia nucleară. Detonarea armei nucleare de către India în 1964, reprezentând startul proliferării nucleare în domeniul militar; Nașterea mișcării ecologiste ce se opunea în general construcției de noi reactori; Introducerea în SUA a unui nou regim de autorizare pentru protecția mediului care a făcut construcția de centrale nucleare neeconomică; Accidentele de la Three Miles Island (1979) și Cernobîl (1986) cu consecințe impresionante pentru imaginea publică a energiei nucleare.
În ciuda problemelor din perioada anilor '80 și '90, energetica nucleară nu a dispărut de pe piață. Dimpotrivă, a treia generație de reactori nucleari a fost dezvoltată în SUA (ABWR, System +), Franța (EPR), Canada (ACR), Rusia și Coreea de Sud.
În anul 2001 a fost semnată carta Forumului Internațional pentru Generația IV (GIF). Scopul acestei asociații este dezvoltarea a șase sisteme energetice nucleare (reactori cu neutroni termici: VHTR, SCWR, MSR și reactori cu neutroni rapizi: GFR, SFR, LFR) până la nivel comercial pentru a putea fi construite în perioada 2015-2023 sau mai târziu.
Renașterea energeticii nucleare a început să se profileze la începutul mileniului III fiind determinată de doi factori: Creșterea economică rapidă din țările mari în curs de dezvoltare (China, India, Brazilia). Schimbările climatice generate de gazele cu efect de seră rezultate din arderea combustibililor fosili.
Cercetarea în domeniul fuziunii nucleare a început prin 1920 când fizicianul F.W. Aston descoperă că patru atomi de hidrogen sunt mai grei decât un atom de heliu. Astrofizicianul Edmund Eddington a sesizat imediat că diferența de masă se convertește în energie prin reacțiile care au loc în Soare. După construirea armei termonucleare, începând cu Conferința de la Geneva din 1958 fuziunea nucleară controlată a devenit un domeniu de cercetare susținut de guvernele marilor puteri (SUA, URSS) cât și de organizații internaționale (EURATOM). Un moment important în dezvoltarea cercetărilor privind fuziunea nucleară este construirea în URSS (1968) a instalației TOKAMAK, adoptată ulterior de aproape toate țările. Cel mai mare experiment de fuziune a fost realizat de instalația JET din Anglia unde reacția de fuziune a deuteriului și tritiului a produs mai multă energie decât a consumat (16 MW timp de 1 secundă).
Proiectul ITER lansat în 2003 este un experiment științific ce urmărește să demonstreze fezabilitatea producerii comerciale a energiei din fuziune. Instalația ITER este proiectată să genereze o putere de netă de 500 MW, adică de zece ori puterea consumată. S-a estimat că instalația ITER va fi operațională în 2020, urmând ca un prototip comercial de reactor cu fuziune să fie operațional în 2040.
Componente Reactorii nucleari de fisiune, indiferent de destinația lor, au următoarele elemente comune:
Combustibilul nuclear Reacția de fisiune în lanț are loc în combustibilul nuclear. Aproape toți reactorii nucleari utilizează uraniul drept combustibil. Reactorii comerciali, cu câteva excepții, utilizează uraniul îmbogățit 2–5 % în izotopul U235. Unii reactori utilizează un combustibil ce conține pe lângă uraniu și plutoniu MOX, un alt element fisionabil. Combustibilul și structura mecanică în care acesta este așezat formează zona activă (miezul) a reactorului.
Moderatorul Moderatorul de neutroni este necesar pentru încetinirea neutronilor rezultați din fisiune (neutroni termici) pentru a le crește eficiența de producere a unor noi reacții de fisiune. Moderatorul trebuie să fie un element ușor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi capturați. Ca moderatori se utilizează apa obișnuită, apa grea sau grafitul.
Agentul de răcire Pentru a menține temperatura combustibilului în limite tehnic acceptabile (sub punctul de topire) căldura eliberată prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactivă trebuie extrasă din reactor cu ajutorul unui agent de răcire (apa obișnuită, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale topite etc). Căldura preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera electricitate. thumb|Schema unui reactor Magnox, dezvoltat în Marea Britanie în anii 1950, și utilizat oficial între 1956 și 2015. Acești reactori folosesc dioxidul de carbon drept agent de răcire. Gazul este răcit cu ajutorul apei.
Barele de control Barele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum: borul, argintul, indiul, cadmiul și hafniul. Ele sunt introduse în reactor pentru a reduce numărul de neutroni și a opri reacția de fisiune când este necesar, sau pentru a regla nivelul și distribuția spațială a puterii din reactor.
Alte componente Unii reactori au zona activă învelită cu un reflector care are scopul de a returna neutronii ce părăsesc reactorul și a maximiza utilizarea lor eficientă. Adesea agentul de răcire și/sau moderatorul au și rolul de reflector. Zona activă și reflectorul sunt dispuse în interiorul unui vas rezistent la presiune (vasul reactorului). Pentru reducerea nivelului radiațiilor produse prin fisiune, zona activă este înconjurată de ecrane groase ce absorb radiațiile: beton, apă obișnuită, plumb etc. Controlul și reglarea funcționării reactorului se realizează cu ajutorul a numeroase instrumente și sisteme de suport logistic care monitorizează (urmăresc) temperatura, presiunea, nivelul radiațiilor, nivelul puterii și alți parametri.
Un reactor nuclear de fuziune încălzește combustibilul compus din deuteriu și tritiu până acesta se transformă în plasmă foarte fierbinte în care are loc reacția de fuziune. În exteriorul camerei în care se formează plasma se află o manta din litiu care absoarbe neutronii energetici din fuziune pentru a produce combustibilul tritiu. În manta neutronii produc și căldură care este evacuată printr-un circuit de răcire cu apă și transferată unui schimbător de căldură pentru a produce abur. Aburul acționează o turbină producând electricitate.
Tipuri Reactorii nucleari se pot clasifica în funcție de tipul de reacție nucleară folosit, de materialele folosite la construcția instalației, de utilizarea energiei produse și de stadiul de dezvoltare a tehnologiei.
În funcție de reacția nucleară folosită reactorii se clasifică în: reactori de fisiune (cu neutroni termici sau cu neutroni rapizi) reactori de fuziune
În funcție de combustibilul nuclear folosit reactorii se clasifică în: reactori cu combustibil solid (oxid de uraniu, oxid plutoniu, oxid de thoriu sau combinații) reactori cu combustibil lichid (săruri topite de uraniu sau de thoriu)
În funcție de moderatorul folosit reactorii se clasifică în: reactori cu apă ușoară; reactori cu apă grea; rreactori cu moderator organic (PCB); reactori cu grafit; reactori cu elemente ușoare (Lif, BeF2); reactori fără moderator (cu neutroni rapizi).
În funcție de agentul de răcire folosit reactorii se clasifică în: reactori cu apă ușoară (sub presiune sau în fierbere); reactori cu apă grea; reactori cu gaz (heliu, dioxid de carbon, azot); reactori cu metal lichid (sodiu, NaK, plumb, eutectic plumb-bismut, mercur) reactori cu săruri topite (săruri cu fluor)
În funcție de utilizare reactorii se clasifică în: reactori pentru producerea de energie electrică; reactori pentru producerea de energie termică (căldură de proces, desalinizare, producere de hidrogen, termoficare); reactori pentru propulsie (nave, submarine); reactori pentru producerea de radioizotopi prin transmutare (plutoniu, U233, radioizotopi pentru uz medical sau industrial); reactori de cercetare.
În funcție de stadiul tehnologiei reactorii se clasifică în: reactori din generația I, primele prototipuri ( Shippingport, Magnox, Fermi 1, Dresden); reactori din generația II, proiectate înainte de 1990 (PWR, BWR, PHWR, AGR, WWER); reactori din generația III, modernizări ale reactorilor din generația doi (ABWR, APWR, EC-6, VVER 1000/392, AHWR-thoriu) reactori din generația III + , proiecte cu îmbunătățiri semnificative privind securitatea si economicitatea (CANDU avansat, EPR, VVER 1200, APWR, ABWR) reactori din generația IV, în proiectare pentru a fi construite după 2030 (reactor termic de foarte înaltă temperatură, reactor termic supercritic cu apă, reactor termic cu săruri topite, reactor rapid răcit cu gaz, reactor rapid răcit cu sodiu, reactor rapid răcit cu plumb).
Reactori comerciali Reactor cu apă sub presiune - PWR Burducea ș.a., Centrale..., p. 209