우라늄 핵과 같이 핵분열이 가능한 물질에 중성자가 충돌했을 때 물질은 붕괴하여 2개의 서로 다른 원자를 생성하고 많은 열을 생성한다. 이를 핵분열 과정이라 하는데, 이 과정에서 중성자들이 새로 발생하게 되고, 이들 중성자는 다른 원자들이 연쇄적으로 분열하도록 할 수 있다. 원자로의 기본 원리는 원자폭탄과 같다. 다른 점은 원자폭탄의 경우 이러한 연쇄 반응이 제어되지 않는 반면, 원자로의 경우에는 그것이 매우 조심스럽게 제어된다는 것이다. 핵분열 과정에서는 엄청난 양의 열이 발생한다. 1파운드(0.45kg)의 우라늄이 핵분열을 할 때 생성되는 열은 석탄 1,500t을 태우는 것과 맞먹는다. 이러한 현상은 주로 전력 생산을 위한 원자로에서 많은 양의 열을 생산하는 데 이용된다.
최초의 원자로는 이탈리아의 물리학자 페르미에 의해 건설되었다. 제2차 세계대전 중 미국에서는 원자폭탄 제조계획인 소위 '맨해튼 계획'이 수립되었다. 그리고 맨해튼 계획의 일환으로 1942년에 엔리코 페르미가 이끄는 물리학자 팀이 시카고 대학교의 스태그 경기장 콘크리트 관중석의 지하에 세계 최초의 원자로인 '시카고 파일'을 제작한 것이다. 그 후 1954년에는 소련에서 최초로 실용 원자력 발전소가 건설되었고, 그에 뒤이어 영국과 미국에 공업적 규모의 원자력 발전소가 건설되었다.
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