第四代核反應堆計劃開始于2000年，當時美國能源部發起了“第四代國際論壇”(GIF)，目的是開發技術上新一代的反應堆。

來自工業、大學和國家實驗室的國際專家組成的GIF小組，討論了第四代的概念。最初，大約有100個不同的設計方案被確定為候選方案并進行了評估。這些方案包括從屬于第三代+的概念，以及一些前所未有的概念。最后，專家們推薦了六個概念方案來進一步建構GIF框架。

1、鈉冷快堆系統(SFR)

SFR系統由快中子反應堆和封閉式燃料循環系統組成。有兩個主要的類型：一個是中型(150至500兆瓦)金屬合金燃料反應堆，由一個燃料循環支持，基于火法冶金后處理。另一個是使用MOX燃料的中大型(500至1500 MWe)反應堆，由燃料循環支持，該燃料循環基于集中位置的先進水后處理，為多個反應堆提供服務。一次冷卻劑系統可以布置在水池中，也可以布置在緊湊的回路中。根據GIF的說法，SFR在所有第四代概念中擁有最廣泛的開發基礎。然而，現有的技術主要基于舊反應堆，這些反應堆已經因各種原因(安全、經濟、民眾的抵制)而關閉。考慮到它的歷史，以及這條反應堆線的重大危險，很難理解為什么GIF選擇了SFR。有人認為，由于SFR系統的封閉燃料循環和錒系元素管理的潛力，SFR系統在可持續性方面排名靠前。它在安全性、經濟性、抗擴散性和物理保護性方面都被評為良好。當時預計到2015年可部署SFR系統。目前仍然沒有實現。

2、超高溫反應堆系統(VHTR)

VHTR被認為是高溫氣冷堆(HTGR)發展的新堆型。HTGR反應器一直沿用到80年代末的幾個國家;然而，只有原型和示范工廠曾經運行過，所有這些在短的時間內都是不成功的，整個操作時間大約不到十二年，如Small Dragon反應器實驗(20 MWTH，1966—1975，英國)，THTR Hamm Unterop(308 MWe，1986-1988，德國)以及Peach Bottom(42 MWe，1967-1974)和St.Vrain堡(342 MWe，1976-1989)的美國工廠。

VHTR系統使用熱中子譜和一次通過鈾燃料循環。示范反應堆概念有一個600兆瓦的石墨慢化氦冷堆芯，其基于GT-MHR的棱柱形塊燃料或PBMR的卵石床。它被認為是最有前途和最有效的制氫系統，無論是使用熱化學碘硫工藝，還是通過在堆芯出口溫度高于1000°C的情況下應用蒸汽重整器技術從熱量、水和天然氣中提取氫氣。VHTR還可用于高效發電。此外，希望這一概念能夠從日本HTTR研究堆和中國仍在建設中的HTR-PM以及目前處于規劃階段的GT-MHR和PBMR項目中獲得的經驗。

3、超臨界水冷反應堆系統(SCWR)

SCWR是一種高溫高壓水冷反應堆，在水的熱動力臨界點(T>374,12°C和p>22,06 GPa)以上運行。示范核電站的功率水平為1700兆瓦，工作壓力為25兆帕，反應堆出口溫度為550攝氏度。燃料為氧化鈾。超臨界水反應堆可以設計成熱反應器或快譜反應堆，但目前世界范圍內的反應堆設計主要集中在熱設計上。SCWR的熱效率可接近44%，而輕水堆的熱效率為33-35%。由于堆芯中不會發生相變，而且系統采用直接循環(如沸水堆)，因此不需要蒸汽分離器、干燥器、增壓泵和再循環泵，因此系統比傳統的輕水堆簡單得多，也更緊湊。由于設備簡單化和熱效率高，SCWR有望比LWRs更經濟。日本、美國和加拿大政府正在開發SCWR，到目前為止還沒有制造原型。SCWR的技術基于現有的輕水堆和超臨界水冷化石燃料電廠。然而，在材料和結構領域，包括腐蝕和應力腐蝕開裂(SCC)、安全和設備設計等方面，SCWR技術仍存在很多問題。主要的可行性問題是開發合適的堆芯材料和證明足夠的安全性和穩定性。

4、鉛冷快堆系統(LFR)

LFR系統是由液態金屬(鉛或鉛/鉍)冷卻的反應堆，具有快中子譜和封閉式燃料循環系統。方案采用中央或區域設施，實現錒系元素的全循環。計劃的機組規模范圍很廣，從50-150兆瓦的“電池”、300-400兆瓦的模塊化機組到1200兆瓦的大型單體發電廠。LFR電池選項是一個小型工廠建造的交鑰匙工廠，具有非常長的核心壽命(10至30年)。它是為小型電網和可能不希望部署燃料循環基礎設施的發展中國家設計的。在LFR概念中，這種電池方案被認為是最有前途的，關于實現第四代目標。然而，它的研究需求最大，開發時間最長。這項技術的經驗僅限于1995年停止運行的7艘俄羅斯阿爾法級潛艇和先進液態金屬快速增殖反應堆(ALMR)，其設計在早期階段已從美國核管理委員會審查中撤回(WANO，2004年)。LFR系統在可持續性方面排名靠前，因為它的目標是封閉式燃料循環，而在防擴散和物理保護方面則是因為它采用了長壽命的堆芯。它在安全性和經濟性方面都很好。LFR系統之前預計到2025年可部署。今天看來是達不到了。

5、氣冷快堆系統(GFR)

GFR系統是一個具有快中子譜和封閉燃料循環的氦冷反應堆。它主要用于電力生產和錒系元素管理。GFR假設有一個綜合的現場乏燃料處理和再制造工廠，但技術的可行性尚未得到證明。燃料循環技術是GFR最大的技術短板。盡管存在很大的技術差距，據GIF稱，GFR系統由于其封閉的燃料循環和在錒系元素管理方面出色的理論性能，在可持續性方面排名靠前。它在安全性、經濟性以及抗擴散性和物理保護性方面被評為良好。一些GIF成員對氣冷系統的順序開發有著特殊的興趣：“氣體技術路徑”的第一步旨在開發模塊化高溫氣冷堆，第二步是VHTR，第三步是GFR。氣冷系統VHTR和GFR被視為歐洲和美國GIF成員的首要任務。

6、熔鹽反應器系統(MSR)

在20世紀60年代，美國開發了熔鹽增殖反應堆，作為傳統快速增殖反應堆(液態金屬冷卻)的主要備用方案。實驗用的是一個小型的熔鹽反應器(MWth)，僅用了4年。計劃的下一個項目，熔鹽增殖反應堆(MSBR)從未建成。目前的工作僅限于這些項目。自20世紀70年代以來，汽水分離再熱器的詳細設計就沒有出現過。MSR系統基于熱中子譜和封閉式燃料循環。鈾燃料溶解在通過石墨核心通道循環的氟化鈉鹽冷卻劑中。直接在熔鹽中產生的熱被傳遞到二次冷卻劑系統，然后通過第三次熱交換器進入功率轉換系統。

第四代概念綜述

GIF認為封閉式燃料循環是第四代概念的主要優勢。封閉式燃料循環系統被認為是更有效和可持續的。然而，并不是所有的六個概念都采用封閉式燃料循環。最受歡迎的VHTR依賴于開放式循環。此外，是否真的有可能成功地開發和實施封閉式燃料循環，這是值得懷疑的。此外，這種封閉式燃料循環概念的成本將非常高。根據美國麻省理工學院“核的未來”的研究，還沒有一個令人信服的方案。封閉式燃料循環的廢料管理優勢，并沒有被包括擴散風險在內的短期風險和成本所抵消。核工業的廢物問題即使在一個樂觀的封閉循環情景下也只能減少，但仍遠未得到解決。

此外，麻省理工學院的研究發現，封閉循環的燃料成本，包括廢物儲存和處置費用，大約是一次循環成本的4.5倍。因此，期望新的反應堆和燃料循環技術同時克服成本、安全廢物處理和擴散問題是不現實的。因此，麻省理工學院的研究得出結論，直流燃料循環最符合低成本和抗擴散的標準。“新一代”的基本概念與核電一樣早就存在了，但考慮到迄今為止的經驗，這些概念主要是由技術和經濟問題以及安全缺陷造成的，因此在早期幾年里，這些概念就被輕水反應堆(LWR)趕出了市場——這不是沒有道理的。為了克服這些問題，必須開發與當前操作系統或以前系統有顯著不同的材料、工藝和操作制度。到目前為止，六個反應堆概念中沒有一個達到第四代的目標。