Fizyon enerjisinin kontrollü bir şekilde ortaya çıkarıldığı sistemlerdir. Genel olarak nükleer reaktörleri iki sınıfa ayırabiliriz. Ticari olarak ısı ya da elektrik kaynağı olarak nükleer reaktörler iki şekilde kullanılır. Ayrıca sentetik element üretiminde, tıpta, nükleer füzelerin yapımında kullanılır.
Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan reaktörlerde, ağır bir nükleer yakıtın bulunduğu, öz tankı vardır. Çoğu reaktörde nötronları yavaşlatıp zincir reaksiyonu başlatabilmek için moderatör ortamlar vardır.
Reaktörlerde, düşük güçlü reaktörler dışında, üretilen ısının taşınması için soğutucu sıvılar kullanılır. Reaksiyon hızını kontrol edebilmek içinde kontrol üniteleri vardır. Nükleer reaktörlerin çalışmasında, radyoaktif yan ürünlerin kullanılmasında ve tehlikeli atıkların atılmasında çok katı güvenlik kuralları uygulanır.
Nükleer reaktörler, içerisinde nükleer reaksiyonların kontrollü bir şekilde yürütüldüğü ortamlardır. Çok büyük enerjiler açığa çıkaran iki tür nükleer reaksiyon vardır. Bunlar büyük atom çekirdeklerinin parçalanması (fizyon) veya küçük atom çekirdeklerinin birleşmesi (füzyon) reaksiyonlarıdır. Bu yüzden nükleer reaktörler, içerisinde gerçekleşen reaksiyon türüne göre iki gruba ayrılabilirler:
1. Fizyon reaktörleri
2. Füzyon reaktörleri
Hâlihazırda füzyon reaksiyonu ile çalışan bir nükleer reaktör mevcut değildir. Fikir olarak Haziran 1942’de ortaya atılan füzyon olayı ancak 1952’de bomba olarak denenebilmiştir. Bu büyük gücün kontrol altına alınması, başka bir deyişle füzyona dayanan bir nükleer reaktörün yapılması ise henüz gerçekleştirilememiştir. Ancak, bu konudaki çalışmalar bütün hızıyla devam etmektedir.
Günümüzde farklı şekillerde tasarlanmalarına rağmen temel olarak fizyon reaksiyonuna dayanan yüzlerce nükleer reaktör mevcuttur. Atom bombasında çok kısa sürede gerçekleşen fizyon reaksiyonu, nükleer reaktörlerde daha uzun sürede gerçekleştirilerek olay kontrol altına alınır.
Nükleer reaktörü oluşturan en önemli elemanlardan birincisi uranyum yakıttır. (239Pu’da yakıt olarak kullanılabilir.)Uranyum radyoaktif özelliği düşük olan bir elementtir. Reaktörde reaksiyona girmeden önce lastik bir eldivenle bile tutulabilir. Ancak, fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan ürünlerin çoğu oldukça radyoaktiftir. Nükleer reaktör çalışmaya başladıktan sonra ne içine girmek ne de reaktörden çıkan yakıt atıklarına yaklaşmak imkansızdır.
Yakıt olarak kullanılacak uranyumun reaktöre girmeden önce her türlü safsızlıktan arındırılması gerekir. Ayrıca yapısındaki 235U oranı %3 dolayına yükseltilmiş yani izotopik olarak zenginleştirilmiş uranyum daha kullanışlıdır. Günümüzde yakıt olarak UO2 tercih edilmektedir. Uranyum dioksit önce toz haline getirilip sonra 1 cm çap ve yüksekliğinde küçük silindirler şeklinde sıkıştırılır. Daha sonra fırında pişirilerek seramik yakıt lokması haline getirilen bu silindirler 4 m uzunluğunda ince bir ¤¤¤¤l zarf içine yerleştirilerek yakıt çubukları elde edilir. Büyük bir reaktörde bu yakıt çubuklarından yaklaşık 50.000 tane vardır.
Reaktörün ikinci temel elemanı nötron yavaşlatıcısıdır. Bunun için ise su kullanılır. Uranyum yakıt reaktörde bir su banyosuna daldırılmış çubuklar şeklindedir. Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan nötronlar yakıt çubuklarından su banyosuna geçerler. Su tarafından yavaşlatılan nötronların fizyon yapma yeteneği artar. Bu yavaş nötronların yeniden uranyum yakıt ile çarpışmaları ise fizyon olayının zincirleme reaksiyon şeklinde sürmesini sağlar.
Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan büyük ısının, yakıtın kızışmasını önlemek için ortamdan transfer edilmesi gerekir. Bunun için ise nötronları yavaşlatmak için ortamda bulunan suyun bir pompa ile devredilmesi sağlanır. Yaklaşık 300°C’de olan sıcak su borular yardımı ile soğuk su içeren bir hazneden geçirilir. Bu esnada ısı transferi ile soğuk su ısınarak buhar oluşur. Elde edilen buhar bir buhar türbininden geçirilerek ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.
Nükleer reaktörlerin en önemli elemanlarından bir diğeri ise kontrol çubuklarıdır. Reaktörün kontrolü ortamdaki nötron sayısının kontrolü ile mümkündür. Eğer, fizyondan doğan nötronların oluşma hızı uranyum yakıt tarafından yakalanma hızına eşit ise reaktör aynı güçte çalışmaya devam eder. Ortamdaki nötronların sayısı arttıkça güç yükselir, azaldıkça güç düşer. Ortamda nötron kalmazsa reaksiyon durur. Bunun için, reaktöre kadmiyum veya bordan yapılan ve nötronları soğuran kontrol çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar reaktörde istenilen derinliğe indirilerek reaksiyon kontrol altında tutulur.