Hogyan hozhatunk létre láncreakciót?
A maghasadás során a két hasadványmagon kívül néhány (U-235 esetén átlagosan 2,4) neutron is kilép. A kiszabaduló neutronok száma attól függ, milyen hasadási termékek jönnek létre.
Az U-235-magot "megcélozzuk" egy neutronnal, ennek hatására nagy valószínűséggel bekövetkezik a maghasadás. A hasadásból keletkező neutronok újabb uránmagokat hasíthatnak el, és minden egyes hasadásnál felszabadul a körülbelül 200 MeV energia.
Ha a hasadásból keletkező neutronok csak egy új hasadást hoznak létre (mert elnyelődnek, vagy kijutnak a reaktorból), a láncreakciót állandó intenzitásúnak nevezzük. Ha az egy hasadásból kilépő neutronok több uránmagot is elhasítanak, akkor adott idő alatt egyre több hasadás történik.
Amikor a lassú jobb, mint a gyors
Az U-235 hasadásakor a magból nagyenergiájú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószínűséggel okoznak újabb maghasadást. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósítsunk meg láncreakciót, nagyon nagymértékben dúsított uránra van szükség, a dúsítás pedig igen költséges eljárás. Fermi és Szilárd kidolgoztak egy olyan új eljárást, melynek segítségével a gyors neutronokat annyira lelassítják, hogy azok nagy valószínűséggel hozzanak létre újabb hasadást. Ezeket az anyagokat moderátoroknak nevezzük. Moderátor használatával akár természetes uránnal (0.7% U-235-tartalom) is létrejöhet láncreakció.
Milyen legyen a moderátor?
A moderátorként használt anyagokkal szemben két fő követelmény van: legyen minél kisebb a rendszáma, és minél kisebb mértékben legyen hajlamos a neutronok elnyelésére. Ezeknek a feltételeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg: a víz (H2O, könnyűvíz), a nehézvíz (D2O), a grafit (C) és a berillium (Be). Közülük a víz a legelterjedtebb moderátor. A nehézvíz tulajdonságai ugyan kedvezőbbek, de sajnos nagyon drága az előállítása.
Magától is beindul a láncreakció?
Ha elkezdünk egyre több U-235-öt egymás mellé rakosgatni (persze némi moderátorral elkeverve), jó darabig nem indul be a várt láncreakció. Ennek az oka az, hogy kis mennyiségű hasadóanyag (kicsi a térfogat) esetén a szerteszét repülő neutronoknak igen nagy hányada kilép az uránból anélkül, hogy hasadást okozna (kiszökik). Növelve a hasadóanyag mennyiségét, a teljes térfogathoz képest egyre csökken az a felület (a fajlagos felület), amin keresztül kiszökhetnek a neutronok. Egy adott méretet elérve kevesebb neutron tud kiszökni, mint ami az önfenntartó láncreakcióhoz szükséges, ekkor érjük el az ún. kritikus tömeget. Például golyó alakú, moderátor nélküli fém U-235 kritikus tömege 49 kg.
Már említettük hogy az U-235 hasadásakor átlagosan 2,4 neutron szabadul fel, azonban ezek nem mindegyike okoz újabb hasadást. A neutronviszonyokat az ún. sokszorozási tényezővel (k) jellemezhetjük: ez a neutronok számának aránya egy adott, és az azt megelőző neutrongenerációban.