快堆采用钚或高濃鈾作燃料，一般用液態(tài)金屬鈉作冷卻劑，不用慢化劑。快堆裝入足夠的核燃料后，由于維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)后剩余的中子多，所以只要添加238U，由238U轉(zhuǎn)化成的239Pu，除能滿足鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的繼續(xù)消耗外，還有較多剩余。熱中子堆核電廠是消耗核燃料生產(chǎn)電能的工廠，快堆核電廠則是可以同時(shí)生產(chǎn)核燃料和電能的工廠。快堆是當(dāng)前反應(yīng)堆發(fā)展的方向，將逐漸在各種類型的核反應(yīng)堆中占主導(dǎo)地位。
由于熱中子引起核燃料裂變的幾率大，因而熱中子堆只需較少的核燃料就可以實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。特別是當(dāng)用重水和石墨慢化時(shí)，可以使用天然鈾作核燃料。在缺乏濃縮鈾能力的核工業(yè)發(fā)展初期，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。熱堆較易控制，需要的核燃料少，還可以用天然鈾作為核燃料，所以較易建造，發(fā)展得最早。
在熱堆中，熱中子除泄漏和被俘獲外，一部分使235U裂變，另一部分被238U吸收，使之轉(zhuǎn)化為239Pu。239Pu繼續(xù)吸收熱中子也可以裂變，而且還有極少一部分238U，能被尚未來(lái)得及慢化的快中子擊中而裂變。所以，熱堆既可以利用235U做核燃料，也可以利用238U實(shí)現(xiàn)核燃料的轉(zhuǎn)化。
如果我們將反應(yīng)堆中“燒”過的燃料元件中剩余的235U及239Pu，在后處理中提取出來(lái)，制成新的燃料元件放入反應(yīng)堆，如此反復(fù)多次，則可以使更多的235U和238U通過裂變或轉(zhuǎn)化得到利用。但由于后處理投資大、費(fèi)用高等原因，目前還主要是采用“一次通過”的方式。燃料元件在反應(yīng)堆內(nèi)“通過”后，就存放在反應(yīng)堆旁的貯存水池內(nèi)，以備將來(lái)后處理之用。由于“燒”過的燃料元件沒有后處理，目前的熱中子動(dòng)力堆對(duì)鈾的利用率低于1％。由于熱堆只能利用鈾中很少的一部分，所以目前已探明的鈾儲(chǔ)量中，只有那些含鈾量超過萬(wàn)分之幾、開采方便的鈾礦才有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前陸地上已探明的經(jīng)濟(jì)可采鈾儲(chǔ)量大約是五百多萬(wàn)噸。盡管熱中子反應(yīng)堆目前是一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)能源，但到本世紀(jì)中葉，可以經(jīng)濟(jì)開采的鈾資源枯竭時(shí)，熱堆的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，熱堆的主要問題是，只能利用包括裂變?nèi)剂?35U和轉(zhuǎn)換材料238U在內(nèi)的鈾資源中極少的一部分。必須采用行之有效的措施，從根本上消除目前熱堆對(duì)鈾資源的浪費(fèi)，使包括238U在內(nèi)的鈾資源，能在核反應(yīng)堆中得到充分利用。只有采用能使核燃料增殖的，以鈾-钚燃料循環(huán)為基礎(chǔ)的快堆，才能擺脫即將面臨的鈾資源日益枯竭的困境。
在快堆中由于沒有慢化劑，再加上堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑及各種裂變產(chǎn)物對(duì)快中子的吸收幾率很小，因此中子由于被俘獲造成的浪費(fèi)少。此外，每個(gè)239Pu原子核裂變放出的中子多，238U原子核裂變的幾率也大，所以平均每個(gè)原子核裂變所放出的中子，除了維持自身鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)外，還可以剩余1.2到1.3個(gè)中子，用來(lái)使238U轉(zhuǎn)變?yōu)?39Pu。因而在快堆內(nèi)，只要添加238U，每燒掉一個(gè)239Pu原子核，除了放出大量裂變能外，還可以產(chǎn)生1.2到1.3個(gè)239Pu原子核。這就是說(shuō)，在快堆內(nèi)只要添加238U，核燃料就越燒越多，這種情況稱為核燃料的增殖。這是快堆與目前熱堆的主要區(qū)別，也是快堆的主要優(yōu)點(diǎn)。因此快堆又稱增殖堆或快中子增殖反應(yīng)堆。
由于快堆僅在啟動(dòng)時(shí)需要投入核燃料，所以它對(duì)核燃料價(jià)格的上漲，不如熱堆那么敏感。理論上快堆可以將238U，235U及239Pu全部加以利用。但由于反復(fù)后處理時(shí)的燃料損失及在反應(yīng)堆內(nèi)變成其它核素，快堆只能利用70％以上的鈾資源。即使如此，也是目前的熱堆對(duì)核燃料的利用率的80倍。由于快堆對(duì)核燃料的漲價(jià)不如熱堆那么敏感，因而含鈾量低的鈾礦也有開采的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而且目前濃縮鈾工廠庫(kù)存的貧鈾，熱堆中卸出的乏燃料，都可以成為快堆的“糧食”來(lái)源。由于快堆中能實(shí)現(xiàn)239Pu的增殖，如果我們通過后處理，將快堆增殖的核燃料不斷提取出來(lái)，則快堆電站每過一段時(shí)間，它所得到的239Pu，還可以裝備一座規(guī)模相同的快堆電站。這段時(shí)間，稱為倍增時(shí)間。經(jīng)過一段倍增時(shí)間，一座快堆會(huì)變成兩座快堆，再經(jīng)過一段倍增時(shí)間，這兩座快堆就變成四座。按照目前的情況，快堆的倍增時(shí)間是三十多年。也就是說(shuō)，只要有足夠的238U，每過三十多年，快堆電站就可以翻一番。
快堆的功率密度大，又不允許冷卻劑對(duì)中子產(chǎn)生強(qiáng)烈的慢化作用，這就要求熱傳輸能力強(qiáng)、慢化作用小的冷卻劑。目前采用的冷卻劑主要有兩種：液態(tài)金屬鈉和氦氣。根據(jù)冷卻劑的種類，可以將快堆分為鈉冷快堆和氣冷快堆。氣冷快堆由于缺乏工業(yè)基礎(chǔ)，而且高速氣流引起的振動(dòng)以及氦氣泄漏后堆芯失冷時(shí)的問題較大，所以目前僅處于探索階段。世界上現(xiàn)有的、正在建造的和計(jì)劃建造的，都是鈉冷快堆。
鈉的中子吸收截面小，比熱容大。它的沸點(diǎn)高達(dá)886.6℃，所以在常壓下可以有很高的工作溫度，而且在工作溫度下對(duì)很多鋼種腐蝕性小，無(wú)毒。因此鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。但鈉的熔點(diǎn)為97.8℃，在室溫下是凝固的，所以要用外加熱的方法將鈉熔化。鈉的缺點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)活潑，易與氧和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)蒸汽發(fā)生器傳熱管破漏時(shí)，管內(nèi)的水與管外的鈉相接觸，會(huì)引起強(qiáng)烈的鈉水反應(yīng)。所以在使用鈉時(shí)，要采取嚴(yán)格的防范措施，這比熱堆中用水作為冷卻劑時(shí)問題要復(fù)雜得多。
壓水堆的出口水溫約330℃，燃料元件包殼的最高溫度約350℃；而快堆為了提高熱效率并適應(yīng)功率密度的提高，冷卻劑的出口溫度為500~600℃，燃料元件包殼的最高溫度達(dá)650℃，比熱堆包殼的溫度高得多。很高的溫度、很深的燃耗以及數(shù)量很大的快中子的強(qiáng)烈轟擊，使快堆內(nèi)的燃料芯塊及包殼碰到的問題比熱堆復(fù)雜得多。由于以上原因，雖然快堆早在20世紀(jì)40年代起步，只比熱堆的出現(xiàn)晚四年，而且第一座實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電的是快堆，但是現(xiàn)在還未發(fā)展到商用階段。然而，通過一系列試驗(yàn)堆、示范堆和商用驗(yàn)證堆的建造，上述困難已基本克服，快堆技術(shù)現(xiàn)在已日臻完善，為大規(guī)模商用準(zhǔn)備了條件。
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是我國(guó)第一座快堆，其熱功率為65MW，電功率20MW采用鈉-鈉-水三回路設(shè)計(jì)，一回路為一體化池式結(jié)構(gòu)；堆芯入口溫度360℃，出口溫度530℃，蒸汽溫度480℃，壓力14MPa。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆于1992年3月獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)，2000年5月開工建設(shè)，已于2011年7月21日10點(diǎn)成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
