石墨反应堆是核裂变反应堆中的一种，也是最常用、最早使用的一种。
石墨具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆中，铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPm ( PPm 为百万分之一），特别是其中硼的含量应小于O . SPPm 。
1938年，德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义，它不仅使铀原子简单地发生了分裂，而且裂变后总的质量减少，同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时，除裂变碎片之外还射出2至3个中子，这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变，从而发生连锁反应。
然而，天然铀中用于链式反应的铀235只占0.7%，也就是每一千个铀原子当中只有七个是铀２３５，其余的大部分是铀238（占99.2%）。
而，只有铀235才适合发生链式反应，用慢中子轰击铀235的核，会使其变成二到三种较轻的原子核，同时产生2-3个快中子，于是如何将产生的快中子变成适合使铀235裂变的慢中子就成了一项考验，人们需要找到一种中子减速剂，于是人们发现石墨具有良好的中子减速性。
尽管不管是链式反应还是用石墨做减速剂都是德国人发现的，但世界上第一个核反应堆却诞生在美国。
1939年1月，用中子引起铀原子核裂变的消息传到费米的耳朵里，当时他已逃亡到美国哥伦比亚大学，费米不愧是个天才科学家，他一听到这个消息，马上就直观地设想了原子反应堆的可能性，开始为它的实现而努力。费米组织了一支研究队伍，对建立原子反应堆问题进行彻底的研究。费米与助手们一起，经常通宵不眠地进行理论计算，思考反应堆的形状设计，
有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。
1942年12月2日，费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学足球场的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号，紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里，控制棒缓慢地被拔了出来，随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声，到控制棒上升到一定程度，计数器的声音响成了一片，这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻。
这其中的原因是;当时德国定制的石墨纯度不够（反法西斯人士暗中掺了杂质），结果导致试验的失败，于是德国人否定了用石墨做减速剂的提案，转而搜寻其它材料，于是德国没有也永远不能制造出原子弹了。
至于大家经常听到有这样的新闻：美国要求朝鲜、伊朗拆除其石墨反应堆，然后美国为他们建造轻水反应堆；这其中的原因是石墨反应堆中产生的核废料更容易提取核燃料钚，钚可用于制造核弹。
将大块的立方体的石墨堆砌起来，将核燃料棒插入其中，然后启动反应堆，这样铀235裂变后放出的快中子就会被石墨减速，然后去撞击心的铀235原子核，于是产生链式反应。
石墨反应堆其它方面与其他核电站原理一样，只是减速剂不同，其中石墨、重水是公认的最好的减速剂，因为此两种反应堆的效率较高。
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