Phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy rì đầu tiên do fecmi thực hiện năm 1942 tại thành phố Chicago (Mỹ) trong một là phản ứng hạt nhân dùng Urani thiên nhiên làm nguyên liệu và graphit là chất làm chậm nơtron.
Mặc dù có nhiều kiểu lò phản ứng khác nhau nhưng nói chung chúng đều phải tuân theo một nguyên tắc cơ bản như của lò phản ứng hạt nhân dùng Urani thiên nhiên.
Trước tiên, điều kiện để phản ứng dây chuyền được duy trì đòi hỏi sau khi hạt nhân Urani bị phân hạch thì ít nhất phải có một nơtron để làm phân hạch một hạt nhân nữa. Ta đã biết tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch của hạt nhân 235U sẽ tăng khi số nơtron chậm tăng. Trong khi đó các nơtron thứ cấp là các nơtron nhanh. Vì thế vấn đề là phải làm chậm lại các nơtron thứ cấ, và trong lò phản ứng hạt nhân người ta dùng một chất làm chậm thích hợp những không hấp thụ nơtron. Và người ta sắp xếp các thanh nhiên liệu xen kẽ các thanh nhiên liệu Urani giưa các chất làm chậm đó. Những chất chứa nhiều nguyên tử Hydrô tức là chứa nhiều proton sẽ làm giảm động năng của nơtron khá cao, những nó cũng bắt các nơtron với xác suất lớn. Do vậy các chất làm chậm thích hợp là: D2O, graphít, be và một số chất hữu cơ.
Để giảm bớt tỷ lệ nơtron bị tạp chất hấp thụ, người ta phải tinh chế nhiên liệu để giảm tạp chất đến mưc stối thiểu. Để chống sự thất thoát các nơtron người ta còn làm một lớp phản xạ nơtron bao quanh lò phản ứng. Nếu lò phản ứng có kích thước bé cũng làm cho nhiều nơtron thoát ra ngoài hơn so với lò có kích thước lớn.
Khi đã khắc phục được các nguyên nhân làm thất thoát nơtron để duy trì phản ứng phân hạch dây chuyền. Nếu một phản ứng phân hạch tạo ra ít hơn một phản ứng phân hạch khác, tức là phản ứng dât chuyền không được duy trì, ngược lain nếu một phản ứng phân hạch lại gây ra nhiều hơn một phản ứng phân hạch khác thì lò ở trạng thái hoạt động mạnh, ở trạng thái này năng lượng giải phóng quá lớn và có khả năng dẫn đến vụ nổ như một quả bom nguyên tử. Để cho lò phản ứng hoạt động bình thường người ta phải sử dụng các thanh điều khiển bằng Cadimi (Cd), đặt xen kẽ giữa các thanh nhiên liệu Urani. Thanh Cd có khả năng bắt nơtron rất cao, do đó tuỳ theo vị trí của những thanh này đưa lên cao hay cắm xuống sâu mà có thể tăng hoặc giảm tốc độ phản ứng dây chuyền, dẫn đến thay đổi công suất lò.
Tuy nhiên việc điều khiển hoạt động của lò phản ứng bằng cơ học sẽ không thể thực hiện kịp nếu có phân hạch sản sinh ra nhiều nơtron thứ cấp vì tốc độ các phản ứng này xảy ra rất nhanh. Để khắc phục điều này, người ta phải tính đến việc các nơtron được sinh ra chỉ sau một vài phân rã β- của các mảnh vỡ, vì vậy một nơtron trễ có thể gây ra phản ứng phân hạch sau thời gian 10s, do đó điều kiện để duy trì phản ứng phân hạch là phải tính đến tỷ số nơtron trễ mới có thểđiều khiển được phản ứng về mặt thời gian.
Hiện nay có các cách phân loại lò phản ứng hạt nhân như sau: - Theo nhiên liệu: là nhiên liệu thiên nhiên hay nhiên liệu nhân tạ.
- Theo chất làm chậm nơtron: bằng nước, bằng graphít, hay các chât khác. - Theo cách phân bố của nhiên liệu trong chất làm chậm: đồng nhất hoặc không đồng nhất.
- Theo năng lượng của nơtron làm chậm: đó là chậm, nhanh hay trung bình. - Theo chất trao đổi nhiệt: nước, hơi hay kim loại lỏng.
- Theo công dụng: cho năng lượng, cho nguồn nơtron, cho snr xuất các dồng vị,…
Trên thế giới hiện nay rất nhiều nước đã sử dụng điện nguyên tử, mà lò phản ứng hạt nhân chính là bộ phận quan trọng nhất, ở nước ta lò phản ứng hạt nhân ởĐà lạt với công suất 5000KW, chỉ phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học và điều chế một sốđồng vị phóng xạ dùng trong y học.
Các nhà máy điện nguyên tử treen thế giới hàng năm không ngừng tăng lên. Cùng với việc phát triển nhiều nhà máy điện nguyên tử: người ta còn đưa vào sản xuât thí nghiệm các nhà máy điện nguyên tử sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh.
Tuy nhiên vào năm 1986 sự cố nhà máy điện nguyên tử Trecnobưn (Ucraina) đã buộc người ta xem xét lại một cách nghiêm túc rất nhiều vấn đề quan trọng của điện nguyên tử như: Kiểm soát quá trình phản ứng phân hạch, tựđộng hoá cao độ và độ tin cậy rất cao trong quá trình điều khiển, yêu cầu nghiêm ngặt về việc chấp hành các quy trình vận hành kỹ thuật, và sự phối hợp quốc tế khi xảy ra sự cố.