盡管利用熱中子反應(yīng)堆可以得到巨大的核能，但是，在天然鈾中，僅有0.714%的鈾同位素——鈾－235，能夠在熱中子的作用下發(fā)生裂變反應(yīng)，而占天然鈾絕大部分的鈾同素——鈾－238卻不能在熱中子的作用下發(fā)生裂變反應(yīng)。
但鈾－238在吸收中子后，經(jīng)過幾次核衰變，可以變成另一種可裂變的核材料钚－239。
在熱中子反應(yīng)堆中，產(chǎn)生的钚－239的數(shù)量不足以抵償消耗的鈾－235。只有利用快中子來維持鏈式反應(yīng)，使新產(chǎn)生的可裂變材料多于消耗的裂變材料。這種主要由快中子來引起裂變鏈式反應(yīng)的反應(yīng)堆，叫做快中子反應(yīng)堆（簡稱快堆）?？於阎谐Ｓ玫暮巳剂鲜穷小?39，而钚—239發(fā)生裂變時放出來的快中子會被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的鈾－238吸收，又變成钚—239。這就是說，在堆中一邊消耗钚—239，又一邊使鈾－238轉(zhuǎn)變成新的钚—239，而是新生的钚—239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多。反應(yīng)開始循環(huán)持續(xù)下去。
此過程包括钚—239-----------釋放快中子，轉(zhuǎn)變?yōu)閁235----------快中子擊中鈾－238-------鈾－238轉(zhuǎn)變?yōu)轭小?39--------钚—239繼續(xù)放出快中子參與反應(yīng)
世界上可經(jīng)濟開采的鈾資源只相當于世界石油貯量的1／4。因此，利用原先的熱中子反應(yīng)堆發(fā)電無法根本解決人類無限需求的能源問題。且這種熱堆，在鈾資源的利用上極差，只有1～2%可以用來發(fā)電，而其余的98～99%的鈾只能被作為廢料－貧鈾棄置。
這樣，在原子能工業(yè)中我們需要找到新的辦法來解決這個問題。其中一個方法是，充分利用貧鈾；另一個方法是，根本不用鈾。這里講第一種方法。
在熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，中子的速度要通過慢化劑，實際上就是水，慢化之后打擊到目標核U235上，才能引起裂變放出能量，發(fā)電時，核燃料U235越燒越少。快中子反應(yīng)堆不需要慢化劑，它由快中子引發(fā)U238轉(zhuǎn)化為Pu239裂變，在發(fā)電的同時，核燃料增殖，會越燒越多。但是實際上還是消耗了外部材料U238,使更多的U238參與反應(yīng)。
理論上快堆可以將鈾－238、鈾－235及钚－239全部加以利用。但由于反復后處理時的燃料損失及在反應(yīng)堆內(nèi)變成其他種類的原子核，快堆只能使60～70%的鈾得到利用。即使如此，也比目前熱堆中的壓水堆對鈾的利用率高140倍，比重水堆高70倍以上。然而由于貧鈾、乏燃料、低品位鈾礦乃至海水里的鈾，都是快堆的“糧食”來源，所以快堆能為人類提供的能源，就不是比熱中子反應(yīng)堆大幾十倍，而是大幾千倍，幾萬倍，甚至更多。
由于在快堆內(nèi)钚－239裂變后放出的中子比鈾－235多，所以快堆內(nèi)最好用钚－239作為核燃料。如果沒有足夠的钚，可以用鈾－235濃縮度為l5%～20%的濃縮鈾代替。但是最經(jīng)濟合理的辦法，還是利用熱中子反應(yīng)堆中積累的工業(yè)钚。熱中子堆卸料時，乏燃料中也積累了一部分钚。但由于熱中子反應(yīng)堆核電站內(nèi)，核燃料元件的燃耗比生產(chǎn)核武器裝料用的生產(chǎn)堆的燃耗深，所以钚中含有20%～30%的钚－240，這種钚稱為工業(yè)钚。這種钚也可以在熱中子反應(yīng)堆內(nèi)利用。在熱中子堆內(nèi)，l千克钚只相當0.8千克鈾－235，而在快堆內(nèi)，1千克钚可相當于1.4千克鈾－235。所以在快堆內(nèi)使用熱中子堆積累的工業(yè)钚，比在熱中子堆內(nèi)使用要合算得多；
在目前的核電站中，由于重水堆消耗的核燃料少，積累的工業(yè)钚多，所以用重水堆為快堆積累工業(yè)钚，也就是建立重水堆－快堆組合體系，從核燃料循環(huán)的角度看來，最為有利。
由于只要不斷添加鈾－238，快堆中有多余的钚－239能不斷產(chǎn)生出來，所以只要將這些新產(chǎn)生出來的核燃料，通過后處理不斷提取出來，則快堆核電站每過一段時間，它所得到的钚－239，還可以裝備一座相同規(guī)模的快堆。這段時間稱為倍增時間。倍增時間除了決定于反應(yīng)堆內(nèi)钚－239的生成速度外，還決定于后處理提取钚，并將钚制成燃料元件所需的時間，以及庫存時間。
經(jīng)過一段倍增時間，l座快堆會變成2座快堆，再經(jīng)過一段倍增時間，這2座快堆就變成4座。按照目前的情況快堆使用的核燃料多為氧化物，它的倍增時間是30多年。也就是說，只要添加鈾－238，每過30多年，快堆核電站就可翻一番。只要這種氧化物核燃料快堆稍加改進，倍增時間就可縮短到20年左右。如果我們將快堆的核燃料由氧化物改為碳化物，則快堆的倍增時間可以縮短到10多年。如果改為金屬型核燃料，則倍增時間還可縮短到6～7年。
原子彈和作為核電站用的快堆，雖然都沒有慢化劑，而且都是用快中子引發(fā)裂變，但有一系列原則上的差別：
第一，原子彈使用钚或高濃鈾，鈾－238的量沒有或者很少。而快堆中鈾－238很多。鈾－238俘獲中子后大多不會裂變，它要轉(zhuǎn)化為钚－239后才易裂變。經(jīng)過這道轉(zhuǎn)換后，作為核電站用的快堆的能量釋放速度，就受到極大限制。
第二，原子彈內(nèi)與裂變無關(guān)的材料少。而快堆為了維持長期運行，并將堆內(nèi)原子核裂變產(chǎn)生的熱送出來，堆內(nèi)有大量的結(jié)構(gòu)材料和冷卻劑。它們的存在既增加了中子的吸收，又使中子的速度有一定程度的慢化，延長了中子存在時間。這是限制核電站用的快堆功率增長速度的另一個因素。
第三，原子彈采用高效炸藥的聚心爆炸，使核燃料很快密集在一起，將鏈式反應(yīng)的規(guī)模急劇擴大，也就是我們說的達到瞬發(fā)超臨界狀態(tài)；而作為核電站用的快堆，只要一達到瞬發(fā)臨界，堆芯很快就會散開，難以維持鏈式反應(yīng)。目前的控制手段，已可以保證快堆不至于達到瞬發(fā)臨界。
第四，原子彈的裝料超過維持鏈式反應(yīng)所需的量多，而快堆的裝料僅僅稍微多于維持鏈式反應(yīng)的需要，并有負反饋效應(yīng)——有抑制作用的效應(yīng)。
由于這些原因，快堆不可能像原子彈那樣爆炸。
為了進一步說明問題，我們所謂熱中子是指能量為1電子伏以下的中子。鈾－235吸收中子裂變時，放出的中子是能量為2兆電子伏特的快中子。在熱中子堆中，幾乎所有的裂變都是由熱中子引起的。為了實現(xiàn)鏈式反應(yīng)有兩種方法：其一是提高鈾中鈾－235的濃度，使快中子引起的裂變能持續(xù)進行下去，這就是快中子堆的原理；另一種方法是用水、石墨等作慢化劑，把快中子慢化為熱中子鈾－235對熱中子的裂變幾率大，對低濃度鈾也可使裂變反應(yīng)繼續(xù)進行下去，這就是熱中子反應(yīng)堆的原理。
對熱中子堆核電站，就鈾資源的利用而言，主要是利用天然鈾中約占0.7%的鈾－235，其余,99.3%的鈾－238大部分不能被利用。而快中子堆可以充分利用鈾－238把它的利用率從l～2%提高到60～70%。鈾－238吸收一個中子變成钚－239。l克钚－239裂變時發(fā)出的熱量相當于3噸煤的熱量。世界鈾礦儲量約為460萬噸，可換算成138，000億噸煤。目前，全世界已探明煤的儲量為6，630億噸。所以，快中子堆充分利用這些鈾資源，就相當于目前已知煤儲量的21.8倍。
目前，各國發(fā)展的主要是用鈾、钚混合氧化物作燃料，用液態(tài)鈉作冷卻劑的快中子增殖堆。它的簡單工作過程是：堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量由液態(tài)鈉載出，送給中間熱交換器。在中間熱交換器中，一回路鈉把熱量傳給中間回路鈉，中間回路鈉進入蒸汽發(fā)生器，將蒸汽發(fā)生器中的水變成蒸汽。蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組。
中間回路把一回路和二回路分開。這是為了防止由于鈉水劇烈反應(yīng)使水從蒸汽發(fā)生器漏入堆芯，與堆芯鈉起激烈的化學反應(yīng)，直接危及反應(yīng)堆，造成反應(yīng)堆破壞事故。同時，也是為了避免發(fā)生事故時，堆內(nèi)受高通量快中子輻照的放射性很強的鈉擴散到外部。
快堆可以增殖核燃料，也就是說會越燒越多。我們知道，鈾－235一次裂變可放出2.43個快中子，钚－239可放出3個快中子；維持鏈式反應(yīng)只有一個中子就夠了，余下的1.43個中子可讓鈾－238吸收，使大部分的鈾－238變成钚－239，其中一小部分中子引起了鈾－238裂變。如果余下的中子全部被鈾－238吸收，那么，每發(fā)生一次核裂變，就可產(chǎn)生一個以上新的核燃料——钚－239。當這種新產(chǎn)生的核燃料與所消耗的核燃料之比值大于1時，就稱為增殖，其比值稱為增殖比。如果這個比值低于1，就稱為轉(zhuǎn)換比。對熱中子堆，浪費中子較多，這個比值不可能大于1，一般，對氣冷堆約為0.8，對輕水堆約為0.5，而快堆的增殖比在1.1～1.4之間。
快堆主要有以下優(yōu)點：(1)、快堆不僅把鈾資源的有效利用率增大數(shù)十倍，而且也將鈾資源本身擴大幾百倍以上。因為，一旦大量使用快堆，目前認為開采價值不大的鈾礦便具有開采價值。這樣，快堆的利用就可能為人類提供極其豐富的能源。(2)、快堆核電站是熱中子堆核電站最好的繼續(xù)。核工業(yè)的發(fā)展堆積了大量的貧鈾（含鈾－235很少的鈾－238），快堆消耗的正是貧鈾。用貧鈾來發(fā)電，同時還增殖燃料，實在是一舉多得的好事。熱中子堆核電站發(fā)展到一定水平時，及時地引入快堆核電站，利用快堆來增殖核燃料，這是一個很必然的發(fā)展計劃。(3)、快堆核電站具有良好的經(jīng)濟前景。因為它具有增殖核燃料的突出優(yōu)點，所以發(fā)電成本在燃料價格上漲的情況下，仍能保持較低的水乎。據(jù)估計，石油價格上漲100%，油電站發(fā)電成本增加60%；天然鈾價格上漲100%，輕水堆核電站發(fā)電成本增加5%，而快堆的發(fā)電成本只增加0.25%。
在快堆中，由于快中子與核燃料中的原子核相互作用引起裂變的可能性要比熱中子小得多，為了使鏈式反應(yīng)能繼續(xù)進行下去，所用核燃料的濃度（一般為12～30%）要比熱中子堆的高，裝料量也大得多。快堆活性區(qū)單位體積所含核燃料比熱中子堆大得多，它的功率密度比熱中子堆大幾倍，一般每升為400千瓦左右。這樣高的功率密度，要把熱量從堆內(nèi)取出加以應(yīng)用，這在技術(shù)上是比較復雜的?？於巡荒苡盟骼鋮s劑，而普遍采用液態(tài)金屬鈉把熱量帶出來。此外，快堆用的燃料元件的加工制造要比熱中子堆復雜得多和困難得多，隨之而來的制造費用高昂。同時,快堆的控制就是控制中子的作用，由于快堆內(nèi)快中子壽命短，钚的緩發(fā)中子份額小，這就使得問題復雜多了。并且，對反應(yīng)堆的操作系統(tǒng)保護的要求也很嚴格。
