长期以来，有人用啤酒点不着而白酒点得着来形容核反应堆和核武器的区别，来试图说明核电的安全性，这实际上并不是完全恰当的——核反应堆和核武器释放能量方式的区别，并不完全决定于核燃料中铀235、钚239这样的可裂变材料的富集度，要知道在不少反应堆中，比如在快堆和某些实验堆中核燃料的富集度也比核电站高得多，达到20%甚至更高，而某些高通量或高功率密度要求的实验堆、海军核动力反应堆当中，使用铀235富集度在90%以上的核燃料也并不罕见，当然这不利于防止核扩散，是目前国际原子能机构所极力希望替代的。

    众所周知，核反应堆和核武器都是通过链式反应来进行的。链式反应很好理解。被中子轰击的重原子核分裂成两个（在少数情况下，可分裂成3个或更多）质量相近的碎片的现象称为原子核的裂变。对于易裂变的原子核（铀235、铀233、钚239）每次裂变可以平均释放出大约200MeV左右的能量和2.5～3个中子。如果新产生的中子又将引起其他的易裂变核发生裂变，从而形成了一个自动持续的反应链，这就是链式反应。

    但是链式反应实际上包含三个充分必要条件：易裂变核、放出中子、新产生的中子能够引起其他的核再发生裂变。缺一不可，铀238也能裂变并且也能放出中子，但是它裂变有中子能量的限制，放出的中子不会引发其他铀238核的裂变。所以铀238做不了核武器装药，好在铀238吸收中子之后可以经过一段时间，两次衰变成易裂变的钚239，作为一种转换材料存在，从而在反应堆中利用。

    中子在一个核反应体系当中有可能泄漏出去，也有可能被其他物质原子核吸收，也有可能被易裂变原子核的（n,γ）吸收而不裂变，也有可能被吸收后引发易裂变原子核的裂变。前三者情况下会减少中子数量，后一种情况下会引起中子的增加，增加1.5～2个，这个增加的过程扣掉前面被减少的中子，就得到每次裂变反应产生的次级中子数量，通常用k表示，实际上就是相邻两代中子增殖的倍数。这个数值实际上分成了三种情况：

1.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个能引起下一级的核裂变反应，则链式反应就可以自行维持下去，这种情况称自持链式裂变反应，与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态，临界状态是核反应堆的正常工作状态。
2.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个以上能引起下一级的核裂变反应，则裂变反应的规模将越来越大，这就叫发散型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为超临界状态，超临界状态是裂变武器核爆炸时所处的状态。
3.如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的裂变反应，则裂变反应的规模就将越来越小，直到反应终止，这样的链式裂变反应称为收敛型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为次临界状态。

    但是临界状态是如何维持的呢，要知道绝大部分的裂变反应释放出来的中子是非常迅速的，10^-4～10^3秒内释放出来的，即使K值仅仅超过1一点点，哪怕0.001，在很短时间内指数级增长下功率也会增加很多倍。所幸的是还有比例约0.65%的中子是缓发中子，是在原子核分裂后延时数秒至数十秒才由碎片原子核释放出来的。正是这0.65%的中子使得我们可以踩在这个k=1的钢丝上面。如果没有缓发中子，那么反应堆中的下一代中子全部为瞬发中子，那么引入极小的扰动，也会使得反应堆功率很短的时间内暴增或者熄火。这个可以通过简单的微分方程就可以计算出来其巨大的差异，如果不存在瞬发中子，0.001的扰动就足以使得反应堆在一秒内暴增数万倍功率，而缓发中子的作用使其实际只变化1%，在这种变化率下我们可以有效地进行控制。

    利用缓发中子维持临界水平，是核反应堆区别与核武器的最本质区别，这更类似与在灶台上点燃天然气和天然气泄漏后爆炸的区别。那么当一座核反应堆进入到仅靠瞬发中子就足以维持临界的情况下，功率毫无疑问将会暴增，那么能否引起一次核爆炸呢。要知道，切尔诺贝利核电站4号反应堆就是由于反应堆设计缺陷和运行试验人员的违规操作进入了这种危险的状态而造成失控，并引发了蒸汽爆炸和化学爆炸，释放了大量放射性物质进入环境，造成了巨大的财产和生命损失、引发了长期的环境与公共健康问题。

    这个时候，白酒和酒精的比喻可以派上用场了。对于任何反应堆，为了导出核反应堆释放的巨大能量，都需要冷却剂，并且需要结构材料保持堆芯内结构来有效地冷却燃料。而对于常规的商用压水堆核电站，使用的核燃料富集度不高只有3.3～5%,对于重水堆和石墨水冷堆，甚至可以使用天然铀作为核燃料。在大量可转换材料、结构材料、冷却剂的存在下，即使恶意地导入了很大的正反应性（在临界状态拔出了全部控制棒)，反应堆当中还有相当的其他物质对中子产生影响，在通常情况下，出于安全的考虑，这种影响被严格设计，保证尽可能对反应堆的中子通量、功率、温度形成负反馈。即使一定的正反应性被引入，也可以被负反馈控制在一定范围内，保证反应堆结构和放射性物质边界的安全性。事实上切尔诺贝利之所以发生事故，很大的原因在于反应堆低功率的时候，存在正的空泡反应系数，水沸腾形成的空泡对反应性形成了正反馈。这个时候这些冷却水中的空泡起到的是火上浇油的效果，这正是核反应堆设计本应极力避免的。

    不过即使切尔诺贝利这样的超瞬发临界事故中，反应堆内依然有大量不可裂变的物质，事实上决定了核反应堆的K值即使失控也不会达到核武器那样大的功率，即使是快堆或者高燃料富集度的舰用堆，都有相当的结构材料、冷却剂存在于堆芯之中。

    那么当一个使用比较高浓度的核燃料和快中子谱的核反应堆进入超瞬发临界，并且我们切断了冷却剂的供应，使得反应堆中尽可能都是核燃料，它为什么不能算一颗核弹呢，就好象《环太平洋》里面核动力机器人自爆那样？

    我们来讲一个不太相干的故事，这是用来描述指数增长的一个典型。水葫芦覆盖池塘的面积每天可增加原来的一倍，它会在第20天覆盖满整个池塘，而你最多只能在一天内清除1/2池塘的水葫芦，那么拯救池塘的最晚一天是那一天？答案是长满池塘的前一天。

    链式反应也类似：一颗原子弹的爆炸过程中，如果每次链式反应释放出2.2个中子（相当于1.2倍的中子增殖代数），那么从第一代中子开始，到裂变0.1kg核材料（2000吨当量）需要286代中子，时间大约2.86微秒，到释放出20000吨当量，需要的中子代数是299代，时间2.99微秒.时间仅仅增加了0.13微秒，释放的能量增加了9倍，也就是90%的能量是在这最后0.13毫秒释放出来的。这些能量如此巨大和集中，以至于核武器和周围的空气等物质都被加热成为温度极高的等离子体，这种等离子体甚至影响了能量的辐射传播，不得不引入了全新的辐射流体力学来描述核爆炸初期的能量传播过程。

    所以核武器设计，除了增加中子增殖的倍数之外（使用高纯度容易裂变的核材料），就是要约束核武器中核材料的超临界状态更长，为此采用炸药加速核材料高速撞击或者炸药爆炸的冲击波来把核材料压缩维持更长的超临界时间，但是在普通的原子弹中，核材料的利用率依然是很低的：在广岛原子弹中使用90kg的铀235，用100kg的TNT炸药驱动加速撞击，只有1kg发生了裂变，利用率只有1.1%；长崎原子弹采用效率更高的内爆压缩方法，钚的利用率也只有1/6，剩下的核材料则被巨大的能量炸飞了。

    在曼哈顿工程的初期，美国科学家曾经设想使用较低富集度的铀和氢化物慢化剂（比如氢化锆）来制造核武器，但是他们很快就发现的这个问题，首先K值不够大，其次这样的一个失控反应堆式的东西太大，很难用强制约束的方法维持超临界状态，很快就会解体掉，如果是较小的纯核材料物质，就可以用炸药来加速或者压缩。于是工作的中心迅速的转移到铀235的进一步浓缩、钚239的生产和使用这些高富集材料的核武器结构设计上去了。

    那么在一个采用高燃料富集度并且使用快中子的反应堆当中发生失控的最严重后果是什么呢？实际上当一个功率比较大的快中子反应堆失控后，也会释放出很大的能量的，但是由于远没有类似核武器引爆过程中炸药爆轰波那样的约束力，很快会由于反应堆的解体而中止能量的释放，这个爆炸当量是有限的。在法国设计“超凤凰快堆”曾经计算了反应堆完全失控的后果，超凤凰快堆使用30%～40%钚浓度的高富集燃料，热功率约2760MW，当反应堆完全失控时，会释放出相当于 130吨TNT爆炸的当量，为了对抗这种最不利的情况，设计了双重安全壳，内层安全壳可以抵抗190吨炸药的爆炸。而这种当量在核武器的设计中则完全是失败的，核武器设计者称之为“扑哧”，但是他们依然认为即使这样只能“扑哧”的炸弹（这是恐怖份子和小国所能造出来的最接近核武器的东西），依然会造成严重的污染，又被称之为“脏弹”。

    虽然反应堆失控不会像核武器那样带来毁灭性的后果，但是如果反应堆内部的大量放射性物质被释放到环境中，仍然会产生极为严重的后果。而且核反应堆的乏燃料中含有的放射性物质量比大多数核爆炸之后的残留总量要高得多，其造成的环境危害可能更加持久和巨大。