反应，释放中子和能量。其中一些中子用于维持链式核裂变反应，一些被天然铀中的铀238吸收，并转化为钚239和其他钚同位素。纯石墨砌体用作石墨水冷电堆的慢化剂和反射器。石墨砌体中有两三个水平通道（水平堆叠）或垂直通道（垂直堆叠）。在这些通道中插入可更换的石墨套管，并在套管中插入铝合金工艺管道，用来将冷却水与石墨慢化剂分离。工艺管道内壁上有凸筋，以保持工艺管道和燃料元件之间的间隙。石墨砌体各部分的温度不均匀。通过改变石墨套筒和工艺管道之间的间隙以及工艺管道中的水流，可以部分调整砌体温度，使其温度分布更加平坦。通常，燃料元件由棒制成，直径约为35-38毫米，长度约为100-200毫米。为了提高比功率并使元件的径向燃耗均匀，还使用了管状燃料元件。
在核反应堆的早期开发中，采用开放式冷却模式。即让河流流经反应堆堆芯，含热量的水也会排入河流。由于耗水量大、排水中放射性水平高、环境保护问题突出等原因，该方法已停止使用，并广泛采用闭式冷却方法，即冷却水从堆芯流出，热量输出反应堆，热量通过热交换器传输到另一回路侧的水，然后通过主泵返回反应堆堆芯，形成闭合循环主冷却回路或主回路。处理一回路水的热量有两种方法：一种是通过热交换器将一回路的热量传递到二回路水，然后通过冷却塔或河水将其冷却，将热量排放到环境中。另一种方法是通过热交换器将热量传递到废热利用系统，以向外界提供热量或作为发电的热源。天然铀冷堆的一个重要特点是后备反应性（在没有任何控制毒物的条件下反应堆超临界的正反应性数值。用于调节功率、补偿负的反应性系数、运行燃耗和裂变产物的积累等，其大小与反应堆的类型、运行工况和换料周期有关）很小。
早期石墨水冷电堆的反应性随着温度的升高而增加，反应堆功率也随之增加（所谓“正温度效应”），这导致反应性增加，直到反应堆被置于外部中子吸收器（控制棒等）的控制之下，或导致堆芯熔化等恶性事
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