Тепловой реактор — ядерный реактор, в котором ядра вещества при делении взаимодействуют с тепловыми нейтронами. Тепловые нейтроны образуются при замедлении нейтронов. В активной зоне теплового реактора находится замедлитель — специальное вещество с легкими ядрами, слабо поглощающими нейтроны, это вещество замедляет нейтроны до тепловой энергии. Замедлитель —- как правило, это углеводороды, углерод, тяжелая вода, водород, дейтерий, бериллий, окись бериллия, обычная вода, графит.
Тепловой реактор работает на ядерном топливе, которым являются изотопы урана и плутония, имеющие большие сечения для захвата нейтронов с малой энергией, это позволяет загружать небольшое количество делящегося вещества. Для использования в качестве топлива природного урана его обогащают изотопом. На поддержание ядерной реакции употребляется, как правило, один нейтрон, остальные не взаимодействуют с ураном — сырьевым материалом, при этом получается вторичное ядерное топливо — плутоний. Свойства замедлителя и количество сырьевого материала определяют, сколько нейтронов будут с ним взаимодействовать. В тепловом реакторе, в котором топливо — уран, сырьевой материал — торий, количество взаимодействующих нейтронов больше количества разделившихся ядер, что позволяет воспроизводить ядерное топливо. Усиление или ослабление процесса деления выполняет регулирующий стержень реактора — это вещество с хорошим поглощением нейтронов (кадмий, редкоземельные элементы, бор или соединения бора — бо-ристая сталь, карбид бора).
Изменение концентрации бора, борной кислоты в теплоносителе также регулирует работу теплового реактора. Отношение числа поглощенных в реакторе нейтронов данного и предыдущего поколения называется эффективным коэффициентом размножения. Это основная рабочая характеристика состояния теплового реактора. Газы и жидкости со слабым поглощением нейтронов применяются как теплоносители, отводящие тепло из реактора. Как правило, это гелий, двуокись углерода, органические жидкости, вода обычная или тяжелая, эти вещества эффективно осуществляют теплообмен. Иногда используются и жидкие металлы или соли.
Вода в тепловом реакторе, как правило, является и теплоносителем, и замедлителем. Конструкции активной зоны реактора изготовляются из алюминия и циркония, не влияющих на скорость поглощения нейтронов. Современные тепловые реакторы — это наиболее распространенный, основной вид ядерного реактора, имеющий очень широкое распространение в различных отраслях науки и техники. С помощью тепловых реакторов получают электрическую энергию, радиоактивные изотопы, искусственно делящиеся вещества. Тепловые реакторы применяются также для опреснения морской воды, в научных целях при изучении физических процессов или испытаний различных конструкций.