采礦得來的天然鈾是鈾的兩種同位素的混合物，包括o．7X的鈾—235和99．3％的鈾—238。兩種同位素的原子核含有相同的質(zhì)子數(shù)，都是92個，然而它們所含中子數(shù)卻不同，鈾—235有143個，而鈾—238為146個。他們對中子轟擊的反應(yīng)也不盡相同，鈾—235受中子沖擊發(fā)生裂變，而鈾—238則很難產(chǎn)生這種效應(yīng)。絕大多數(shù)情況下，鈾—238吸收了轟擊它的中子，經(jīng)過兩次放射性轉(zhuǎn)換，生成一種新的可裂變物質(zhì)——钚。

      裂變過程中，鈾—235的質(zhì)子和中子組成的結(jié)構(gòu)被摧毀。新形成的原子核一般帶放射性，這就是裂變產(chǎn)物。能量被釋放出來時，根據(jù)裂變的類型還釋放出二或三個中子。反應(yīng)堆設(shè)計者的技藝在于，以某種方式將可裂變物質(zhì)排列起來，使其中的一個中子能分裂另一個鈾—235核，如此反復(fù)，形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．問題是反應(yīng)堆使用的結(jié)構(gòu)材料(包殼和支撐件等)絕大多敷與鈾—238一樣，吸收中子，后不產(chǎn)生裂變。

      當(dāng)鈾—235的含量低到0．7％(象天然鈾那樣)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的困難是顯而易見的。解決問題的方法是采用減速(低售)后的中子去分裂鈾—235核，低能中子比快中子更容易分裂鈾—235，而且不易被鈾—238吸收。通過選擇吸收性弱的介質(zhì)，使中子與其原子核連續(xù)碰撞，中子速度就能減慢，這種介質(zhì)稱為慢化劑。

技能來自可裂變物質(zhì)內(nèi)部，因此必須將這種熱傳遞給水。水經(jīng)蒸發(fā)變成蒸汽，從而給汽輪機(jī)組提供驅(qū)動力。這種熱傳遞是通過吸收性低的冷卻劑進(jìn)行的。 

      由于以上原因，如果使用天然鈾做裂變物質(zhì)，必須使用石墨或重水作慢化劑，并使用加壓二氧化碳?xì)饣蛑厮骼鋮s劑。

      天然鈾反應(yīng)堆原理圖：這類反應(yīng)堆中，天然鈾放置在一束使中子減速的石墨棒中，二氧化碳?xì)饬鞔颠^燃料元件，將核裂變釋放出的熱量傳給熱交換器，以使鋼管內(nèi)水充水蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽在驅(qū)動汽輪機(jī)后，經(jīng)攜帶冷水的管道進(jìn)行冷卻。請注意三個流系統(tǒng)是完全隔離的。

慢化劑的作用

      鈾核裂變釋放出的中子具有很高的能量(平均為1．6兆)，飛行速度可達(dá)每秒二萬公里。為了維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而不借助于裂變物質(zhì)中的高度濃縮燃料，中子必須被減速。

      這種減速是通過中子與稱之為慢化劑的物質(zhì)的核碰撞使能量損失來實(shí)現(xiàn)的。這種慢化劑物質(zhì)可使中子減速，和使它的逃脫易被鈾—238捕獲的“陷井”，鈾—238很容易吸收與其原子核相撞的能量與鈾一238的很窄小“共振”能區(qū)相對應(yīng)的所有中子。如果中子的速度被降到每秒鐘幾公里，他們就能夠分裂鈾—235核。

      中子的行為就象由無電荷粒子組成的高稀薄氣體(相當(dāng)于百億分之一個大氣壓以下)那樣。不帶電荷使得中子在通過物質(zhì)時不受其它粒子的電荷影響，它的路徑只有在和核子碰撞后才能改變。中子在碰撞中逐漸失去能量，相應(yīng)原子核的質(zhì)量與中子的質(zhì)量越接近，能量損失就越多。從這方面看，最佳慢化劑是氫，例如水中的氫。然而氫也有缺點(diǎn)——?dú)湓雍四芪諞_擊它的中于。這種現(xiàn)象雖不是每次碰撞都發(fā)生，卻足以使氫不能用于天然鈾反應(yīng)堆。在燃料組件周圍使用重水狀態(tài)的氘和石墨狀態(tài)的碳更適合。燃料組件釋放出的中子在通過周圍的介質(zhì)時由于和慢化劑核子碰撞失去了能量。中子經(jīng)過“之”字形的路線又回到燃料元件時，已有恰當(dāng)?shù)哪芰咳シ至砚櫋?35核，從而維持了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

 
      慢化劑的作用：核裂變釋放的快速中子在和慢化劑核（氫、氘或石墨）連續(xù)碰撞時失去能量，并減慢速度。這些減速了的中子很容易分裂鈾—235而不被鈾—238吸收。通過插入或提出硼之類的中子吸收劑，反應(yīng)堆芯的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以開始、調(diào)整或終止。在第一幅圖中，控制棒處于提出狀態(tài)，中子通過和慢化劑核的碰撞被減速，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以維持。第二幅圖中，控制已插入，以便吸收釋放的中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止。