Da Brutreaktoren nur mit schnellen Neutronen betrieben werden, darf kein Moderator vorhanden sein. Als Kühlmittel kommt deshalb kein Stoff in Frage, der die Neutronen zu schnell abbremst (moderiert). Dies wären insbesondere Stoffe, die ein relativ geringes Atomgewicht aufweisen. Man nutzt im Schnellen Brüter flüssiges Natrium. Dieses Metall hat einen Schmelzpunkt von 98 °C, sein Siedepunkt liegt bei 883 °C. Es hat bessere Wärmeübergangseigenschaften zu den Brennelementen als Wasser, einen kleinen Einfangquerschnitt und eignet sich deshalb besonders als Kühlmittel. Mit einer Temperatur von 395 °C tritt es von unten in den Reaktorkern ein und verlässt ihn wieder mit 545 °C. Da das Natrium dabei nicht siedet, liegt der Druck im Primärkreis nur bei etwa 10 bar, was die Bauweise des Reaktordruckbehälters im Vergleich zu den Leichtwasserreaktoren deutlich vereinfacht.
Da das Natrium direkten Kontakt zu den Brennelementen hat, wird es durch eine Einfangreaktion von Na-23 und einem Neutron zu Natrium-24, welches mit einer Halbwertszeit von 14,96 Stunden zu Magnesium-24 zerfällt. Dabei wird Betastrahlung frei.
Ein zweiter Natrium-Kühlkreislauf soll verhindern, dass bei Störfällen das radioaktive Natrium des Primärkreislaufs mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf in Berührung kommt, da Natrium mit Wasser heftig unter Bildung von Natronlauge und Wasserstoff chemisch reagiert.

Zwei Arten von Kühlsystemen werden unterschieden:
Das in Deutschland eingesetzte Loop-System mit räumlicher Trennung von Primärkreis, Pumpen und Wärmetauschern

Das Loop-System im SNR 300 in Kalkar

und das in mehreren anderen Ländern eingesetzte Pool-System mit Primärkreis, Pumpen und Wärmetauscher im Reaktortank.

Das Pool-System im Superphénix (Frankreich)

In Deutschland wurde aufgrund von höheren Sicherheitbestimmungen eine räumliche Trennung der sicherheitstechnisch bedeutsamen Anlagenteile (Pumpen und Wärmetauscher) gefordert. Nur das Loop-System kann im Falle einer Zerstörung des Reaktortankes weiter für eine kontinuierliche Nachwärmeabfuhr sorgen, und so eine Kernschmelze sicher vermeiden.

Reaktorregelung und Schnellabschaltung

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Immer wieder taucht in der Öffentlichkeit die Vermutung auf, Schnelle Reaktoren
seien schwieriger zu regeln als thermische Reaktoren, weil sie eines schnell wirksamen
Abschaltsystems bedürften. Dieser Verdacht ist unbegründet. Die Steuerung der Kettenreaktion erfolgt sowohl beim thermischen (Leichtwasserreaktor) wie beim schnellen Reaktor mit Hilfe verzögerter Neutronen.
Die maßgebenden Zeitkonstanten sind bei beiden Reaktortypen nahezu gleich, wie aus der nachfolgenden Tabelle hervor geht.

		DWR 1300 MWe	SNR Kalkar 300 MWe
Geschwindigkeit Regelstabbewegung	cm/sec	1,0	1,2
Geschwindigkeit Abschaltstabbewegung	cm/sec	2,5	4,2
Verzögerungszeit bis Einsatz des Abschaltsystems	sec	0,2	0,2
Zeitdauer für vollständiges Einfallen der Abschaltstäbe in den Reaktorkern	sec	2,5	0,7
Reaktivität Abschaltsystem	$	11,0	10,0
Reaktivität Trimmstab-Borsystem(zum Ausgleich des Abbrands)	$	19,0	7,0
Datenvergleich zur Reaktorregelung bei Druckwasserreaktoren und Schnellen Brütern

Wegen der schnellen Neutronen und des dadurch bedingten Verzichts auf den Moderator sind Schnelle Reaktoren sogar außerordentlich reaktivitätsstabil. Betriebliche Schwankungen von Eintrittstemperatur, Kühlmitteldurchsatz und Leistung haben beim Schnellen Brüter einen um mehr als eine Größenordnung (Faktor 10) kleineren Einfluß auf die Reaktivität als bei Leichtwasserreaktoren.
So hat zum Beispiel eine angenommene Erhöhung der Kühlmitteltemperatur im Kern um 1 K bei Leichtwasserreaktoren - je nach Abbrand - einen Reaktivitätshub von 1 bis 10 cent (1/100 $) zur Folge, während die gleiche Störung beim KKW Kalkar nur 0,2 cent Reaktivitätsänderung bewirkt.

Auch die Abschaltredundanz ist beim Schnellen Brüter höher als bei vergleichbaren Leichtwasser- und Hochtemperaturreaktoren, da keine Reaktivität für die Änderung der Moderatordichte sowie für Xenon-135 bzw. Protactinium-233 verbraucht wird. Meist genügen 1-2 Stäbe zum Erreichen der permanenten Unterkritikalität. Da der SNR 300 jedoch 12 Abschaltstäbe besitzt, die - je auf zwei diversitäre Systeme aufgeteilt - bei jeder Schnellabschaltung in den Kern eindringen, kann man von einer 4...12-fachen Redundanz sprechen.

Als Folge des unwahrscheinlichen Ablaufs der Nichtabschaltung kann es zu einem Schmelzen von Brennelementen kommen. Dadurch wird die Konfiguration des Reaktors zerstört, der Reaktor schaltet sich aber von selbst neutronisch ab. Sehr wahrscheinlich ist damit aber keine nennenswerte Energiefreisetzung verbunden, was durch viele weltweit
durchgeführte Analysen und Experimente bestätigt wird. Selbst bei pessimistischen Annahmen gelangt man nur zu maximalen Energiefreisetzungen von 100 bis 150 Megajoule (MJ).
Damit liegt man noch weit unterhalb des Wertes von 370 MJ, welchen die Genehmigungsbehörde für das Primärsystem des SNR 300 verlangt hat.

Die Auslegung des SNR 300 gegen Kernzerlegungsunfälle geht also weit über den internationalen Stand von Wissenschaft und Technik hinaus. Dies wird besonders deutlich durch den per Auflage erzwungenen Einbau einer externen, kühlbaren Kernfängervorrichtung, welche die geschmolzene Kernmasse auffangen soll, falls Tank und Doppeltank wegen eines sog. Bethe-Tait-Störfalls undicht geworden sein sollten.

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