加压重水反应堆

在核反应堆内维持核反应的关键是使用裂变过程中释放的中子来激发其它原子核的裂变。通过谨慎控制燃料几何形状和反应速率，这可以导致自持的链式反应，这种状态被称为“临界性”。

天然铀由各种同位素的混合物组成，主要是²³⁸U和少量的(约0.72%质量比例)²³⁵U。^{[1] 238}U只能被相对高能的中子裂变，约为1 MeV 或更高。²³⁸U的量不可能成为“临界量”，因为它吸收的中子比通过裂变过程释放的中子要多。另一方面，²³⁵U可以支持一个自我维持的链式反应，但是由于²³⁵U的自然丰度较低，天然铀本身无法达到临界状态。

制造使用天然或低浓缩铀作为燃料的反应堆的“窍门”是，将足够多的中子减速，使其在²³⁵U中产生核裂变的可能性增加到允许铀作为一个整体进行持续链式反应的水平。这就需要使用一个中子慢化剂，它吸收一些中子的动能，使它们减速到与慢化剂原子核本身的热能相当的能量(由此产生了术语“热中子”和“热反应堆”)。在这个减速过程中，将中子从铀中分离出来是有益的，因为²³⁸U原子核在这个中间能量范围内对中子有较大的反应截面(这种反应被称为“共振”吸收)。这是设计由慢化剂分离固体燃料的反应堆的根本原因，而不是使用两种材料更均匀的混合物。

水是良好的慢化剂；水分子中的氢原子在质量上与单个中子非常接近，因此碰撞具有非常有效的动量传递，类似于两个台球的碰撞。然而，尽管水是一种很好的慢化剂，但它在吸收中子方面相对有效。使用水作为慢化剂会吸收太多的中子，以至于剩下的中子太少，无法与少量的²³⁵U发生反应，因此排除了天然铀的临界性。相反，为了给轻水反应堆提供燃料，首先必须增加燃料中的²³⁵U，生产出按重量计算通常含有3%到5%的²³⁵U的浓缩铀(这一过程产生的废物被称为贫铀，主要由 ²³⁸U组成)。在这种浓缩形式下，有足够的²³⁵U与水慢化中子反应以保持临界状态。

这种方法复杂的地方是需要铀浓缩设施，建造和运行这些设施通常都很昂贵。它们也引起了核扩散问题；用于浓缩²³⁵U的系统也可用于生产更多的“纯”武器级材料(90%或更多的²³⁵U)，适合生产核武器。无论如何，这是一项需要引起重视的工作，铀浓缩设施会面临着重大的核扩散风险。

另一种解决方案是使用不像水那样容易吸收中子的慢化剂。在这种情况下，所有被释放的中子都可能被慢化，并用于与²³⁵U的反应，在这种情况下，天然铀中有足够的²³⁵U来维持临界状态。其中一种慢化剂是重水，也就是氧化氘。尽管它与中子的反应方式与轻水类似(尽管平均能量转移较少，因为重氢，或氘的质量大约是氢的两倍)，但它已经有了轻水通常会吸收的额外中子。

使用重水作为慢化剂是重水反应堆系统的关键，这使得天然铀能够用作燃料(以陶瓷UO2的形式)，这意味着它可以在没有昂贵的铀浓缩设施的情况下运行。PHWR的机械布置将大多数慢化剂置于较低温度下，这种布置特别有效，因为由此产生的热中子比传统设计中的“更热”，而传统设计中慢化剂通常要热得多。这些特点意味着PHWR可以使用天然铀和其他燃料，并且比轻水堆更有效。

重水反应堆确实有一些缺点。重水的价格通常是每公斤数百美元，尽管这是降低燃料成本的一种折衷。与浓缩铀相比，天然铀的能量含量降低，因此需要更频繁地更换燃料；这通常是通过使用电力补给系统来完成的。燃料在反应堆中移动速度的增加也导致了比使用浓缩铀的轻水反应堆更高的废燃料量。然而，由于未浓缩铀燃料的裂变产物密度比浓缩铀燃料低，因此产生的热量更少，储存空间更紧凑。^[2]

1937年，汉斯·冯·哈尔班和奥托·弗里施发现，因为重水的低中子吸收特性，与轻水反应堆相比，重水反应堆可能会带来更大的核扩散风险。^[3]当一个238U原子偶然受到中子辐射时，它的原子核会捕获一个中子，把它变成²³⁹U。然后²³⁹U迅速经历了两次β⁻衰退——第一次发射电子，并将²³⁹U转化成²³⁹Np，第二次发射一个反中微子，并将²³⁹Np转换成²³⁹Pu。尽管这个过程是在其他调节剂如超纯石墨或铍的作用下进行的，但重水是迄今为止最好的。^[3]

²³⁹Pu是一种适用于核武器的裂变材料。因此，如果经常更换重水反应堆的燃料，可以通过核后处理从经过辐射的天然铀燃料中化学提取大量武器级钚。

此外，使用重水作为慢化剂会导致在重水中的氘原子核吸收中子时产生少量的氚，这是一个非常低效的反应。氚是生产加强型裂变武器所必需的，而裂变武器又使生产热核武器(包括中子弹)更加容易。目前还不清楚这种方法是否可能在实际规模上生产氚。

当印度从名为CIRUS反应堆的重水研究反应堆的乏燃料中提取出钚，用于其第一次核武器试验——“微笑佛陀”时，重水反应堆的扩散风险得到了证明。^[4]