thumb|Kern van een onderzoeksreactor. De blauwe gloed rondom de splijtstofelementen in het midden is het gevolg van Tsjerenkovstraling. thumb|Kerncentrale Civaux Een kernreactor is een installatie waarin een nucleaire kettingreactie van kernsplijtingen plaatsvindt onder gecontroleerde en stabiele omstandigheden. Een kerncentrale bevat een kernreactor die warmte levert voor de opwekking van elektriciteit, verwarming van huizen en industrieën en ontziltingsinstallaties. Kernreactoren worden ook gebruikt voor de voortstuwing van schepen en onderzeeërs. Daarnaast hebben ze vele andere toepassingen, waaronder het gebruik als bron van neutronen voor bijvoorbeeld onderzoeksdoeleinden of voor het bereiden van diverse radioactieve isotopen voor nucleaire geneeskunde of industrieel gebruik.
Hoewel de term 'kernreactor' ook zou kunnen worden gebruikt voor een fusiereactor, wordt dit meestal niet gedaan en worden er uitsluitend splijtingsreactors mee bedoeld.
Kernsplijting Bij kernsplijting absorbeert de kern van een zwaar element zoals uranium een langzaam bewegend ('thermisch') neutron, wordt daardoor instabiel en splijt spontaan in twee kleinere atoomkernen. Bij de splijting van een uraniumkern ontstaan twee lichtere kernen, twee à drie snelle neutronen en een grote hoeveelheid kinetische energie die in warmte wordt omgezet. De lichtere kernen zijn radioactief, en vallen ook uiteen, waardoor nog meer energie vrijkomt.
Kettingreactie Bij de splijting van uranium ontstaan meer neutronen dan er worden verbruikt. Daardoor kan de reactie zichzelf in principe onderhouden en zelfs versterken (nucleaire kettingreactie). De neutronen die bij splijting van 235U vrijkomen, zijn echter te snel om op hun beurt splijting uit te lokken en moeten dus worden vertraagd (moderatie), bijvoorbeeld met grafiet of water. Om te voorkomen dat er te veel langzame neutronen ontstaan, kan het overschot worden weggevangen met materialen zoals cadmium en boor; door regelstaven van deze materialen in de kern te schuiven kan het proces worden geregeld.
Noodstop In geval van nood kan de nucleaire kettingreactie binnen een aantal seconden gestopt worden met een noodstop (scram). Hierbij worden de regelstaven in enkele seconden volledig in de kern geschoven. Dit wordt gedaan bij storingen in de normale bedrijfsvoering, bijvoorbeeld als de stroomvoorziening van de koelsystemen uitvalt, of bij grote trillingen zoals bij een aardbeving. Het materiaal blijft dan echter nog geruime tijd warmte produceren door het radioactief verval van de splijtingsproducten die in de reactor aanwezig zijn. Deze warmte moet worden afgevoerd en bij veel (vooral oudere) reactortypen kan dat alleen door actieve koeling van het systeem. Zo leidde uitval van de noodkoelsystemen tot grote problemen bij de kernenergiecentrale Fukushima I in Japan, na de aardbeving en tsunami van 2011. Bij onvoldoende koeling kunnen de splijtstofelementen in de reactorkern gaan smelten (kernsmelting of meltdown).
Warmteoverdracht en elektriciteitsopwekking In verreweg de meeste kernreactoren wordt de warmte die wordt opgewekt door de splijtende uraniumkernen, opgenomen in gedemineraliseerd water en uit de reactor gevoerd als stoom in kokendwaterreactoren (waarbij stoom in het reactorvat zelf ontstaat) of als zeer heet water (ongeveer 300 graden Celsius) onder hoge druk (ongeveer 155 bar) in drukwaterreactoren.
In drukwaterreactoren wordt water van ongeveer 300 °C onder 155 bar druk in het primaire circuit gebruikt om warmte over te dragen naar een secundair circuit waarin dan wel stoom wordt opgewekt.
In beide gevallen is het resultaat stoom onder hoge druk (ongeveer 60 bar) die wordt gebruikt om via een stoomturbine een elektrische turbogenerator te doen draaien. Zo wordt de warmte van de kernreactor zo efficiënt mogelijk in arbeid omgezet die wordt gebruikt om elektrische energie op te wekken.
Kokendwaterreactoren en drukwaterreactoren worden ook wel lichtwaterreactoren genoemd, omdat ze gewoon water gebruiken als moderator voor de neutronen. In alle lichtwaterreactoren tot op heden wordt dit water ook gebruikt om de warmte van de reactor naar de stoomturbine te voeren bij het proces van elektriciteitsopwekking. In andere reactorontwerpen gebeurt de warmteoverdracht door zwaar water (deuteriumoxide) onder druk in een zwaarwaterreactor, een gas zoals helium of koolstofdioxide in een gasgekoelde reactor met een gasturbine, een zoutmengsel in een gesmoltenzoutreactor of een vloeibaar metaal zoals natrium, lood of bismut.
Cyclustijd De hoeveelheid energie die aanwezig is in het reservoir van de kernbrandstof van de reactor, wordt vaak uitgedrukt in het aantal dagen (van 24 uur) dat de reactor op vol vermogen kan werken. Het aantal 'dagen vol vermogen' van de werkingscyclus van een reactor (tussen de noodzakelijke uitvaldagen voor het aanvullen van de brandstof) hangt samen met de hoeveelheid splijtbaar 235U die in de voorraad kernbrandstof aanwezig is bij aanvang van een cyclus. Als er een groter percentage 235U in de kern aanwezig is bij aanvang van een cyclus, kan de reactor een groter aantal dagen op vol vermogen werken.
Tegen het eind van een cyclus is de brandstof in sommige splijtstofelementen 'opgebrand', en wordt verwijderd en vervangen door nieuwe (verse) staven splijtstof. Het gedeelte van de splijtstofelementen die bij zo'n operatie worden vervangen, bedraagt meestal een kwart voor een kokendwaterreactor en een derde voor een drukwaterreactor.
Rendement De hoeveelheid energie die gedurende de levensduur aan de splijtstofstaven wordt onttrokken, wordt de 'burn up' genoemd, en wordt uitgedrukt in termen van opgewekte warmte-energie per hoeveelheid aanvangs-brandstofgewicht. Een gebruikelijke eenheid is megawattdagen thermisch per metrieke ton zwaar metaal bij aanvang. (Waarbij dus niet de elektriciteitsproductie maar de warmteproductie als maat wordt genomen om verschillen in de efficiëntie van de elektriciteitsgeneratie niet mee te laten tellen).
Soorten reactoren thumb|Reactorkern Er zijn verschillende reactortechnologieën ontwikkeld, waarin twee basistypen zijn te onderscheiden, gelet op de snelheid van de gebruikte neutronen.
Thermische (langzame) reactoren gebruiken langzame neutronen. De meeste reactoren voor energieopwekking zijn van dit type. Ze gebruiken een moderator om de neutronen tot lage snelheden af te remmen om ongewenste vangst van neutronen door 238U te verhinderen. Ze bestaan daarnaast uit brandstof (splijtbaar materiaal), omhulsels, drukvaten, stralingsschilden en instrumenten om de systemen van de reactor te bewaken en te regelen. De eerste reactoren voor de productie van plutonium waren thermische reactoren die grafiet gebruikten als moderator.
Snelle reactoren gebruiken snelle neutronen. Hiervoor is hoogverrijkte brandstof nodig (soms zelfs van een kwaliteit die ook voor kernwapens kan worden gebruikt, weapons-grade), maar geen moderator. De brandstof is zo sterk verrijkt dat er weinig 238U meer in voorkomt die anders snelle neutronen zou wegvangen. Dit type reactor wordt gebruikt in mobiele installaties, waar de benodigde ruimte een belangrijke overweging is (denk aan kernonderzeeërs) en voor de productie van plutonium (zie kweekreactor).
Reactoren voor thermische energieopwekking kunnen weer worden onderverdeeld in drie typen, naargelang ze koelkanalen onder druk gebruiken, een groot drukvat of gaskoeling.
De meeste commerciële reactoren en voortstuwingsreactoren maken gebruik van een groot drukvat waarin de door de reactor geproduceerde stoom wordt opgevangen. Dit vat dient ook als omhulsel voor de reactor en als stralingsschild.
De RBMK- en CANDU-reactortypen gebruiken kanalen onder druk. Dergelijke reactoren met drukkanalen kunnen ook terwijl ze in bedrijf zijn, worden voorzien van nieuwe brandstof, wat voor- en nadelen heeft die onder CANDU worden besproken.
Gasgekoelde reactoren worden gekoeld door een circuit met een circulerend inert gas, meestal helium maar ook stikstofgas en koolstofdioxide zijn gebruikt. Er zijn verschillende manieren om de warmte nuttig te gebruiken. Sommige reactoren werken op zo'n hoge temperatuur dat het gas direct kan worden gebruikt om een gasturbine aan te drijven. Oudere ontwerpen leiden het hete gas meestal door een warmtewisselaar en wekken er stoom voor een stoomturbine mee op.
Het meest verbreide moderne gasgekoelde ontwerp is de pebble bed reactor. Dit type reactor kan zo worden ontworpen dat het veilig blijft, zelfs als alle regelapparatuur het begeeft. Naarmate de kern heter wordt, neemt de energieproductie in de reactorkern namelijk af. Aangezien de brandstofelementen uit keramisch materiaal worden vervaardigd, tast ook grote hitte ze niet aan. Er zijn pebble bed reactoren ontworpen voor zowel snelle als langzame neutronen, en ook om nieuwe splijtbare isotopen te genereren. Daarnaast kunnen alle bestaande reactorontwerpen voor pebble bed reactoren worden bijgevuld zonder de energieproductie te hoeven onderbreken.
De meeste ontwerpen voor snelle reactoren maken voor hun koeling gebruik van gesmolten metaal, meestal natrium, maar ook lood of bismut. Hiervan bestaan ook twee typen, circuitreactoren en poelreactoren. Het oudere type circuitreactor bevat drie gescheiden koelkringen. Bij het recentere pooltype bevinden de primaire en de secundaire kring met vloeibaar natrium zich in een gezamenlijke poel met vloeibaar natrium.
Op het Amerikaanse kernwapentestgebied in Nevada is een niet afgeschermde kernreactor boven op een toren van 500 meter hoog in gebruik geweest om de effecten van radioactiviteit te meten.
Huidige reactorfamilies Drukwaterreactor - pressurized water reactor (PWR) Boiling Water reactor (BWR) Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR of CANDU) D2G reactor Kweekreactor Pebble bed reactor
Verouderde typen die nog wel in bedrijf zijn Magnox reactor Advanced gas-cooled Reactor (AGR) De lichtwater-gekoelde-grafiet-gemodereerde-reactor (RBMK)
Geavanceerde reactoren Meer dan een dozijn typen geavanceerde reactoren verkeert in verschillende stadia van ontwikkeling. Sommige zijn afgeleid van PWR, BWRT en CANDU-typen, andere slaan geheel nieuwe wegen in. Een voorbeeld van de eerste is de 'geavanceerde BWR' (ABWR), waarvan er twee in werking zijn en er meer worden gebouwd. Het bekendste radicale nieuwe ontwerp is de Pebble Bed Modular Reactor (PBMR), een gasgekoeld, bij hoge temperatuur werkend reactortype.
Kleine modulaire reactoren miniatuur|Amerikaans ontwerp van een kleine modulaire reactor (SMR). Kleine modulaire reactoren (Engels: Small modular reactor, SMR) zijn een nieuwe categorie van voorgestelde reactoren die veel kleiner zijn dan conventionele kernreactoren. Zij leveren een vermogen van maximaal 300 MWe, in vergelijking tot 1000 MWe of meer voor een klassieke kernreactor.
SMR's zijn ontworpen om voor een groot deel als modules in een fabriek in serie te worden vervaardigd en vervolgens naar een locatie te worden getransporteerd. De bouwtijd zou daarmee volgens voorstanders korter zijn dan bij traditionele kernreactors. Hoewel er talrijke modellen in ontwikkeling zijn, is er anno 2025 nog geen enkele SMR in serie geproduceerd.
SMR's zouden efficiënter en flexibeler ingezet kunnen worden voor verschillende toepassingen en op uiteenlopende locaties. Zij zouden kunnen worden ingezet als zelfstandige eenheid of gekoppeld in modules.
Opwerkingscyclus van nucleaire brandstof Alle kernreactoren hebben splijtbaar materiaal nodig om te kunnen werken. Uranium heeft een energie-inhoud per kilo die ongeveer een miljoen maal groter is dan die van olie. Als de bewezen uraniumreserves op het land uitgeput zijn, zou zeewater nog genoeg uranium bevatten om het huidige energieverbruik van de industriële wereld te verzorgen. In Japan loopt een project om uranium uit zeewater te winnen, om de afhankelijkheid van dit land van de invoer van energie uit het buitenland te verminderen.