原子结构

原子像微型太阳系一样构造。原子的中心是原子核。在它周围绕行的是电子。

核裂变反应

核反应堆工作原理（核反应堆工作原理图）

在裂变过程中，中子轰击铀原子，释放更多中子并触发链反应。

原子核由质子和中子组成，非常紧密地堆积在一起。氢是最轻的元素，有一个质子。最重的自然元素铀有92个质子。

原子的原子核靠强力(四种基本作用力之一)结合在一起，这是“自然界中最强的力”。当受到中子轰击时，它可以分裂，这个过程称为裂变（如上图所示）。由于铀原子太大，将铀原子束缚在一起的原子力相对较弱，使铀易于裂变。

在核电厂中，中子与铀原子碰撞，将其分裂。这种分裂会从铀中释放出中子，然后中子与其他原子碰撞，从而引起链反应。该连锁反应由吸收中子的“控制棒”控制。

在核反应堆的核心，铀原子的裂变释放能量，将水加热到大约100摄氏度。然后，该热水用于使连接到发电机的涡轮旋转，从而产生电力。

铀是含量最低的矿物之一（在地壳中仅占百万分之二），但由于其放射性，它是大量的能源。一千克铀的能量相当于三百万千克煤的能量。

放射性元素逐渐衰变，失去放射性。失去一半放射性所花费的时间称为“半衰期”。U-238是最常见的铀形式，其半衰期为45亿年。

在许多地质构造以及海水中都发现了铀。但是，要开采为燃料，必须对其进行充分浓缩，使其至少占所处岩石的百万分之一百（0.01％）。

采矿过程类似于煤矿，包括露天矿和地下矿。它产生类似的环境影响，并增加铀矿尾矿具有放射性的危险。不仅可以从矿山废物中存在的重金属污染地下水，还可以从废物中残留的微量放射性铀污染地下水。铀矿开采业雇用的人中有一半从事使用后清理矿山的工作。

铀有两种形式，U-235和U-238。在自然界中发现，铀是U-238的99％以上。不幸的是，U-235是用于发电厂的设备。U-238也可以加工成p，也可以裂变。

铀矿一旦开采，就被送到加工厂浓缩成有用的燃料。大多数铀精矿是通过用酸从矿石中浸出铀制成的。（有时将精矿制成地下，但不去除铀矿石。）完成后，铀矿石会变成铀的燃料形式U3O8，并成形为小颗粒。

然后将颗粒包装成12英尺长的棒，称为燃料棒。这些棒捆绑在一起成为燃料组件，准备在反应堆堆芯中使用。

运行中的大多数工厂都是“轻水”反应堆，这意味着它们在反应堆堆芯中使用普通水。

沸水堆（BWR）

在上图所示的沸水反应堆中，将水煮沸成蒸汽，然后将其送入涡轮机发电。

压水堆（PWR）

在压水反应堆中，核心水被保持在压力下并且不允许沸腾。热量通过热交换器（也称为蒸汽发生器）传递到堆芯外部的水中，使外部水沸腾，产生蒸汽并为涡轮机提供动力。在压水反应堆中，沸腾的水与裂变过程是分开的，因此不会变成放射性。

在使用蒸汽为涡轮提供动力之后，将其冷却以使其凝结回水中。有些工厂使用河流，湖泊或海洋中的水来冷却蒸汽，而另一些则使用高塔冷却塔。沙漏形的冷却塔是许多核电厂熟悉的地标。对于核电厂生产的每单位电力，大约有两单位的废热被排放到环境中。

反应堆设计使用除水以外的冷却剂来将裂变热带离堆芯。加拿大的反应堆使用装有氘的水（称为“重水”），而其他反应堆则采用气体冷却。有工厂使用氦气作为冷却剂（称为高温气冷堆），还有一些工厂使用液态金属或钠。

由于后处理的副产品是p，可用于制造核武器，因此卡特总统以安全风险为由，下令停止后处理。后处理也很难与新的铀燃料进行经济竞争。

同时，放射性废料被存储在产生核废料的核工厂中。最常见的选择是将其存储在乏燃料的冷却池中，这些冷却池是大型的带钢衬里的水箱，利用电来循环水。随着这些池的注满，一些燃料棒正被转移到大型钢和混凝土桶中，这被认为更安全。

除乏燃料外，工厂本身还包含放射性废物，必须将它们关闭后再进行处理。可以立即拆卸植物，也可以将植物保存多年，以减少辐射时间。大多数工厂被认为是“低放废物”，可以存放在不太安全的地方。