Графит почти не поглощает нейтроны и является хорошим замедлителем. Сталкиваясь с ядрами углерода, из которого состоит графит, нейтроны теряют энергию и после нескольких десятков столкновений двигаются со сравнительно малой скоростью. Медленные нейтроны, попадая в тепловыделяющие элементы, поглощаются ураном 235 и вызывают его деление. При каждом делении урана 235 взамен одного поглощенного нейтрона образуется два или три новых. Поэтому при правильно рассчитанной конструкции реактора в нем может возникнуть цепная реакция.
Предположим, что в ядерном реакторе имеется 100 нейтронов. Если это «поколение» нейтронов в результате поглощения ураном и других процессов исчезает и вместо него при делении ядер урана образуется новое поколение, например 101 нейтрон, то число нейтронов в результате цепной реакции с течением времени будет возрастать. При этом выделяется огромное количество энергии, тепловыделяющие элементы и графит так быстро разогреваются, что может произойти серьезная авария. Чтобы исключить такую возможность, в графитовой кладке заранее оставляют каналы, в которые погружают специальные компенсирующие стержни 3. Эти стержни изготовляют из материалов, которые хорошо поглощают медленные нейтроны. В качестве таких материалов можно применять металлы: кадмий или гафний, а также бористую сталь или карбид бора.
Для регулировки процесса в ядерном реакторе служат изготовленные из вышеуказанных материалов специальные регулировочные стержни 4, также перемещающиеся в каналах в графитовой кладке.
Часть медленных нейтронов, беспорядочно двигающихся в графитовом сердечнике, подходит к поверхности кладки, вылетает из нее наружу и не принимает больше участия в цепной реакции. Для борьбы с утечкой нейтронов из реактора сердечник последнего окружается толстым слоем графита 5, который играет роль отражателя нейтронов. Благодаря отражателю ядерное топливо в урановом котле используется значительно полнее.
При делении урана образуются гамма-лучи, уносящие с собой часть освобождающейся энергии. Гамма-лучи испускаются также при распаде радиоактивных изотопов, образующихся при делении урана. Гамма-лучи, попадая в организм человека, животных и растений, в значительных количествах оказывают вредное биологическое действие. Вредно действуют на человека и животных также нейтроны, которые в большом количестве образуются в ядерном реакторе.
Для защиты обслуживающего персонала от гамма-лучей и нейтронов ядерный реактор окружается толстой стеной 6 из специального бетона.
Мы знаем, что при делении урана освобождается большое количество энергии, значительная часть которой выделяется в виде тепла. Ядерный реактор, в котором делится 1 кг урана в сутки, развивает тепловую мощность около 1 млн. квт. Если выделяющееся тепло не отводить, то реактор вскоре перегреется, отдельные части его расплавятся и произойдет авария. Поэтому существенной частью каждого ядерного реактора является система охлаждения. На рис. 20 показана труба 7, через которую подводится к реактору холодная вода или другой охладитель, и труба 8, через которую он отводится. Внутри ядерного реактора охладитель распределяется по многочисленным трубкам, которые подводят его к отдельным тепловыделяющим элементам.
Рассмотрим теперь несколько подробнее процессы, происходящие при замедлении нейтронов. Большинство образующихся при делении урана 235 нейтронов влетают в графитовый замедлитель, имея скорость около двадцати тысяч километров в секунду (за 2 секунды такой нейтрон мог бы облететь вокруг земного шара). После нескольких десятков столкновений с ядрами замедлителя они растрачивают свою энергию, причем скорость их уменьшается в 10 000 раз, то есть до 2 км/сек. Первые нейтроны называются быстрыми, а вторые — медленными.
Многочисленные опыты показали, что уран 238 делится лишь быстрыми нейтронами (со скоростями не менее 20 000 км/сек), а уран 235 и плутоний 239 делятся и быстрыми и медленными (медленными даже с большей вероятностью).
Так как медленные нейтроны не только с большей вероятностью делят уран 235, но также с большей вероятностью захватываются почти всеми химическими элементами, то замедлитель и уран должны быть хорошо очищены от примесей. Примеси, захватывая нейтроны, мешают развитию цепной реакции.