Przekrój czynny na rozszczepienie dla nuklidów rozszczepialnych rośnie bardzo szybko wraz ze zmniejszaniem się energii padającego neutronu. W wypadku 235U przy energii neutronów 10keV wynosi on 4b, natomiast przy energii 0,025eV - 579b. Tak więc zmniejszając energię neutronów wywołujących rozszczepienie można zwiększyć efektywność reakcji łańcuchowej. W związku z tym do reaktora wprowadza się moderator, którego zadaniem jest spowalnianie neutronów w reakcji rozpraszania sprężystego. Reakcja ta przebiega podobnie jak zderzenie dwóch kul doskonale sprężystych. Przy zderzeniu sprężystym kula poruszająca się (neutron) przekazuje część swej energii kinetycznej kuli nieruchomej (jądro). Ilość przekazanej energii zależy od kąta padania i średnio jest tym większa, im mniejsza jest masa kuli nieruchomej w stosunku do masy kuli ruchomej. Widać więc, że najefektywniej spowalnianie neutronów zachodzić będzie na lekkich jądrach. Dobry moderator musi spełniać poza tym dwa dodatkowe warunki. Po pierwsze jego gęstość musi być dostatecznie duża (nic może on być np. w stanie gazowym), a po drugie jego przekrój czynny na wychwyt neutronów musi być stosunkowo niewielki.
W obecności moderatora proces spowalniania trwa dopóty, dopóki neutrony nie osiągną energii porównywalnych z energią ruchu cieplnego i nie znajdą się w równowadze termicznej z otoczeniem. O takich neutronach mówi się, że mają energię termiczną lub że są neutronami termicznymi. W temperaturze 300 K średnia prędkość neutronów wynosi 2200 m/s, a średnia energia 0,025eV.
Bilans neutronów
Przyjmijmy, ze w pewnej chwili w układzie znajduje się S swobodnych neutronów termicznych. Wprawdzie neutrony ulegają rozpadowi, jednak ich czas życia (rzędu 12 min) jest bardzo duży w porównaniu z czasem charakteryzującym łańcuchową reakcję rozszczepienia. Tak więc można uważać wszystkie neutrony termiczne w reaktorze za cząstki trwałe, które zostaną w rozpatrywanym układzie nieskończonym pochłonięte. Ponieważ pochłanianie neutronów w moderatorze prowadzi do wychwytu radiacyjnego, część z tych neutronów zostaje spowolnionych (tracą część swojej energii) i stają się one niezdolnymi do rozszczepienia. Pochłonięcie neutronu w paliwie nie oznacza jeszcze, że wywoła on rozszczepienie. W jednym akcie rozszczepienia powstaje średnio od 2 do 3 neutronów wtórnych. Współczynnikiem mnożenia k nazywamy ilość neutronów na początku "cyklu" rozszczepieniowego do liczby neutronów wtórnych. W opisie tym przyjęliśmy oczywiście duże uproszczenia ponieważ reakcja łańcuchowa zachodząca w reaktorze jest procesem ciągłym i nie da się jednoznacznie określić początku ani końca cyklu. Warunkiem tego, aby reakcja łańcuchowa przebiegała w sposób stacjonarny, jest stała liczba neutronów w kolejnych pokoleniach, czyli k=1. Mówimy wtedy, że układ znajduje się w stanie krytycznym. Gdy k<1, to w kolejnych pokoleniach liczba neutronów maleje i reakcja łańcuchowa zanika, a układ nazywamy układem podkrytycznym. Natomiast gdy k>1, to liczba neutronów rośnie, a układ jest nadkrytyczny. Układ krytyczny może działać w zasadzie przy dowolnej gęstości neutronów, a co za tym idzie, przy dowolnej mocy.
W praktyce każdy układ fizyczny jest skończony i neutrony mogą uciekać poza jego granicę. Prawdopodeobieństwo uniknięcia tej ucieczki oznacza się zwykle przez P. Otrzymuje się w ten sposób tzw. efektywny współczynnik mnożenia w układzie skończonym kef=P*k. Tak jak poprzednio: układ jest podkrytyczny gdy k<1, krytyczny gdy k=1 i nadkrytyczny gdy k>1.
Dotychczas rozpatrywany układ składający się z jednorodnej mieszaniny paliwa i moderatora byłby z praktycznego punktu widzenia zupełnie nieprzydatny. Zwykle w reaktorze paliwo rozmieszcza się w moderatorze w postaci regularnej siatki elementów paliwowych. Ponieważ w paliwie pochłanianie neutronów zarówno w zakresie energii termicznych jak i rezonansowych jest znacznie silniejsze niż w moderatorze, to i gęstość neutronów jest mniejsza
Dążenie do najkorzystniejszego bilansu neutronów w reaktorze nie jest główną przyczyną stosowania elementów paliwowych i struktury niejednorodnej. Po pierwsze, większość nuklidów powstających w procesie rozszczepienia jest silnie radioaktywna i trzeba koniecznie izolować je od otoczenia (najwygodniejszym rozwiązaniem jest paliwo otoczone szczelną koszulką metalową). Po drugie, w procesie rozszczepienia w paliwie wydziela się ciepło i trzeba je odprowadzać na zewnątrz reaktora. W tym celu przez reaktor przepuszcza się chłodziwo, które omywa elementy paliwowe, odbiera od nich ciepło i oddaje je poza reaktorem. Aby uzyskać Jak najlepsze warunki odbioru ciepła stosuje się elementy paliwowe o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni.