Атомная электростанция отличается от тепловой лишь тем, что пар для турбин нагревается за счет энергии ядерной реакции - деления ядер урана на два (изредка три) крупных осколка. Этот процесс интересен тем, что может самоподдерживаться, так как относится к цепным ядерным реакциям. Аналогично проходит реакция горения, которая идёт сама собой, было бы топливо, окислитель и начальный подвод тепловой энергии.
"Горение" ядерного топлива - процесс более сложный, чтобы ядра делились, к каждому из них нужно поднести персональную спичку - нейтрон. Об этом позаботилась матушка - природа - при распаде ядра вылетает несколько нейтронов с энергией около 2 МэВ. Цепная реакция будет поддерживаться, если хотя бы один из этих нейтронов, поглотившись новым ядром, вызовет его деление и появление нейтронов следующего поколения. Если мы разделим число "старых" нейтронов на число "новых" нейтронов, то получим коэффициент размножения нейтронов - К.
Он полностью определяет динамику цепной ядерной реакции. При К=1 скорость реакции постоянна, при К<1 - реакция гаснет, при К>1 - реакция становится неуправляемой. В ядерном реакторе реакция должна идти постоянно и добиться этого постоянства непросто. При делении одного ядра высвобождаются два или три нейтрона, но они могут запросто уйти за пределы активной зоны реактора. Чтобы потери нейтронов уменьшить реактор реактор делают большим по размеру, а активную зону окружают отражателем нейтронов. Это вещество, не вступающее в реакцию с нейтронами и поэтому препятствующее их быстрой утечке. Но даже после того как нейтрон остался в активной зоне, есть вероятность того, что он будет поглощен ядрами примесей или материалов конструкции реактора. И вот только после того как все выше перечисленное не случится, то рано или поздно нейтрон поглотит ядро одного из изотопов урана (или уран - 238 или уран - 235).
В уране-238 при поглощении быстрых нейтронов деление ядер происходит лишь в 5 случаях из 100, в уране-235 доля случаев распада составляет уже 85 из 100. Ели брать естественную урановую руду, в ней 99,3% урана-238 и только 0,7% урана-235. Поэтому в чистом природном уране самоподдерживающейся цепной реакции не происходит. Нейтроны могут быть и медленными, с энергией, близкой к средней энергии теплового движения (их еще называют тепловыми). Они не могут вызвать деление урана-238, но могут урана-235. Поэтому в реакторах используется замедлитель - вещество, которое не захватывает нейтроны, но в нём они быстро теряют энергию.
Обычно уран помещают в замедлитель небольшими порциями на некотором расстоянии друг от друга. Быстрые нейтроны вылетают в замедлитель, снижают скорость до тепловой и попадают вновь в уран, вызывая новые деления и поддерживая цепную реакцию.
Так как все эти факторы с течением времени могут меняться, то самое главное учитывать, то чтобы никакие изменения с течением времени не могли помешать уверенному управлению реактором. Цепными процессами в активной зоне реактора управляют с помощью стержней из кадмия и бора, поглощающих нейтроны. Вводом таких стержней в активную зону можно замедлить размножение нейтронов, а извлечением стержней - активизировать.
Чтобы реактор работал долго свежее топливо содержит избыток делящихся ядер и в него погружено много поглощающих стержней. По мере выгорания ядерного топлива и возрастания количества осколков стержни выдвигаются наружу. Эффективность стержней тоже снижается, потому что любое ядро, поглотив нейтрон, уже теряет такую способность. Выгорание поглотителя противоположно выгоранию топлива и величина коэффициента размножения может несколько расти.
Наконец со временем меняется состав почти всех материалов активной зоны - замедлителей, обшивок, несущих конструкций, датчиков и систем охлаждения. Но это медленные процессы, идущие долгие месяцы.
Все эти факторы приводят к необходимости совершенствования конструкций материалов реактора и к непрерывному мониторингу процессов в активной зоне реактора.