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反应堆堆芯是核反应堆的一部分，包含核燃料组件，是发生核反应与热的地方。核燃料通常是数以千计包含在管道内的低浓缩铀。堆芯还包含结构组件，既能慢化中子又能控制反应的方法，也需要把热从核燃料转移至堆芯外需要的地方的装置。
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典型的压水堆和沸水堆内是燃料棒，其直径相当于一支大凝胶型墨水笔，每支大约4米长，是由数以百计成束的燃料棒组成，称为燃料组件。在每个燃料棒内，铀的陶瓷核燃料芯块，最普遍的是氧化铀，放满燃料芯块。堆芯内的是控制棒，以容易捕获中子的硼、铪、镉的颗粒填满等，它们可以迅速吸收中子。当控制棒插入反应堆堆芯时，它们吸收中子，使链式反应不能持续进行。相反，当控制棒上移，更多的中子轰击燃料棒附近的可裂变物质如铀-235或钚-239的原子核，链式反应加剧。在堆芯内的遮蔽物引导水流冷却堆芯内的反应堆。核裂变产生的热由水带走，水也起到慢化中子的作用。
使用固体反应堆石墨作为中子慢化剂，使用普通水为冷却。苏联的RBMK型反应堆便是这种反应堆。亦是切尔诺贝尔核事故中的反应堆类型。
进阶版气冷反应堆是英国设计的反应堆，堆芯由石墨慢化剂组成，燃料也在堆芯中。使用二氧化碳作为冷却剂，流动于堆芯内，把热带走。
还有一些实验反应堆以石墨作为慢化剂如球床反应堆的概念和融盐反应堆实验。
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