在核反应堆中，二回路的作用是通过工质的热力学循环，吸收从堆芯、一回路导出的热量，并将其转化为机械能。目前，绝大部分军用与商业反应堆的二回路以水/水蒸气为工质，在二回路中以“朗肯循环”模式运转。朗肯循环技术上发展已较为成熟，安全性较高。但其运行温度较低，循环效率难以再进一步提高（目前最先进的大型水冷堆，热效率刚刚超过40%）。
气冷堆（布雷顿循环）相对于水冷堆，可以进一步提高温度和压力，使其结构更为紧凑。目前，采用氦气作为工质的布雷顿循环反应堆已投入试验运行，热效率已提高到45%。但该系统要求核反应堆出口温度在900℃左右，这对于反应堆整体来说温度过高，必须重新设计反应堆堆芯和管线结构，且对材料的物理性能、加工精度等要求十分苛刻。
高温气冷堆（布雷顿循环）系统示意图
超临界二氧化碳布雷顿循环是气体闭式循环的一种，以二氧化碳作为循环工质，利用二氧化碳在临界点附近的物性变化特点，可以减少压缩机的做功，有效提高循环效率，并且可在很大温度范围内保持高效率。与此同时，该类热力循环系统的功率可小到几兆瓦，大到数百兆瓦，并且相对于蒸汽循环和氦气布雷顿循环，其装置重量和体积大幅减小，在核动力装置二回路，尤其是军用核动力装置上具有极好的前景。
超临界二氧化碳布雷顿循环，是一种以二氧化碳为工质的闭式循环系统。闭式布雷顿循环采用外部加热，因此可用核反应堆的热能对工质进行加热。与其他气体闭式布雷顿循环不同的是，采用超临界二氧化碳作为工质，在临界点附近的密度较大（其分子量比氦气大得多），因此可以显著减小压缩机做功，从而提高循环效率。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括热源换热器、压气机、涡轮、预冷器等。根据超临界二氧化碳布雷顿循环的具体布置，除简单布雷顿循环外，还有再热布雷顿循环、再压缩布雷顿循环等，这些措施可进一步提高效率，但相应也会提高系统的复杂性。
高温气冷堆的压力容器
在较低的温度范围内，水冷/朗肯循环对布雷顿循环有一顶的优势，但由于受朗肯循环中气液相共存及高温高压水的强腐蚀性，其材料同样要有较高的物理化学特性要求。而且，由于朗肯循环需要将蒸汽冷凝成水，因此工质在不同工作阶段的温差不能太高，因此热源温度也难以再提高，其效率和适用范围都受限。
此外，超临界二氧化碳布雷顿循环热力装置具有较高的能量密度，涡轮的级数可以减少，体积显著缩小。如一个300兆瓦的超临界二氧化碳电站的涡轮直径只有大约1米，只需三级，而同等功率的蒸汽系统则需要直径5米的涡轮，需要22到30级叶片。因此，尽管气冷堆的结构会比水冷堆略大，但整个反应堆-动力系统的总体积，则可以比水冷堆动力系统大幅度缩小。
近几年来，美国在超临界二氧化碳布雷顿循环领域的研究取得了重要进展，目前，功率为1兆瓦的样机已处于实验室阶段，有较高的技术成熟度。该样机目前循环效率在32%，但经计算，样机在实用化、制造出较大型的系统后，效率有望大幅度提高。由于其具有体积小、效率前景看好的特点，在燃料成本高、空间狭小的船舶上，相比水冷堆动力系统具有很大的优势，在不远的将来，二氧化碳气冷堆很可能会成为核动力舰艇的反应堆。
