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一个铀核在一个中子作用下发生裂变，如果裂变时放出两个次级中子，这两个次级中子又引起两个铀核发生裂变，放出四个次级中子，这四个中子再引起四个铀核发生裂变……。如此下去，反应的规模将自动地变得越来越大，一幅铀核链式反应的图景，立即展现在我们面前，它吸引了多少科学家啊! 确实，科学家们为实现核裂变链式反应，使之造福于人类，而付出了巨大的劳动，现在让我们从理论上先分析一下实现链式反应的条件。中子是实现核裂变链式反应的媒介，因此要使一个体系的链式反应能持续地进行下去，就必须使中子的数目至少不随时间而减少。 我们通常把体系中某一代中子数与上一代中子数之比称为中子增殖系数，用k表示。当k＝1时，体系中的中子数目保持不变，链式反应以恒定的速率持续进行，这种状态称为临界。k＞l时，中子数目将越来越多，链式反应的规模越来越大，这时称为超临界。而k＜1时则称为次临界，此时中子数目逐渐减少，链式反应规模越来越小，直至最后停息。 天然铀中主要含有铀235和铀238两种同位素，前者约占0.72％，而后者约占99.27％。经研究表明，铀235在各种能量的中子作用下，均可能裂变，而铀238只有在能量大于1.1兆电子伏的中子轰击下才可能裂变，而且前者的裂变几率大大地超过后者。因此，要造成链式反应，实际上只能利用天然铀中含量极少的铀235。 为简便起见，我们先来考虑一个由纯铀235构成的体系。在这种体系内，中子的命运大致有两种，一是被铀235吸收，引起裂变(小部分不引起裂变)，从而使中子数目增加；二是从体系的表面泄漏出去，损失掉。因此，对于这样的体系，只要由裂变增加的中子数不小于泄漏损失的中子数，链式反应即能维持。 我们假定有一个纯铀235的体系，该体系中原有100个中子，其中49个从体系的表面泄漏出去而损失掉；其余51个被铀235吸收，而其中又有10个不引起裂变(使铀235转变成铀236，就维持链式反应而言，这也是一种损失)，只有41个中子引起裂变。按比较精确的数值，每次裂变平均产生2.46个中子。因此一共能放出2.46×41≈100个中子。这样，该体系的中子增殖系数k＝1，这就是说，链式反应能持续进行了。 如果泄漏出去的中子数多于49个，必然使k值小于1，链式反应就不能维持。而如果泄漏出去的中子数少于49个，这样k值就大于1，链式反应的规模就越来越大。 我们知道，中子的泄漏与体系的表面积成正比，而中子的产生则与体系中裂变物质的量，即与体系的体积成正比。对于一定形状的体系，当其尺寸(亦即质量)增加时，体积的增加要比表面积的增加来得快，因而使中子的相对泄漏变小。由此可知，为实现自持链式反应(k＝1)，存在一个裂变物质的最小体积(或质量)，这就是所谓临界体积(或临界质量)。 显然，临界体积或临界质量与体系的几何形状有关。扁平或细长的形状都使表面积与体积的比值增大，从而增加中子的相对泄漏。以圆柱形体系为例，当其直径小于一定数值时，即使把高度无限加大，也不能使其达到临界状态；同样，当高度小于一定数值时，用加大直径的办法也无法使它达到临界。对于一定的体积，以球形的表面积为最小，所以球形体系具有最小的临界质量。 临界质量与体系的物质组成当然有很大的关系。对于纯铀235组成的球形体系，临界质量约为50公斤，临界直径约为16.8厘米。有些体系，由于非裂变物质含量太大，非裂变吸收太严重，即使把尺寸放大到无限大，也不能达到临界状态，纯粹由天然铀组成的体系便属于这种情况。 那么，有没有办法能使天然铀体系达到临界呢？有办法。我们先来分析一下纯粹由天然铀组成的体系内中子的活动情况。由于这种体系除了铀235外，还含有大量的铀238，所以中子的活动情况要复杂一些。大致说来，可以分为以下四种情况： (1)中子(不论速度快慢)被铀235吸收，大部分引起裂变，小部分只被吸收而不引起裂变，因此总的效果是使中子数目增加。 (2)能量大于1.1兆电子状的中子，被铀238吸收，引起裂变，使中子数有所增加。 (3)能量小于1.1兆电子伏的中子，被铀238吸收，但不引起裂变，因而使中子数目减少。 (4)中子从体系的表面泄漏出去而损失掉。 方便起见，我们暂且忽略(4)，只考虑前三种情况，这种没有中子泄漏的体系相当于一个无限大的天然铀体系。这样，使中子数增加的是情况(1)和(2)，使中子数减小的是情况(3)。要使体系能维持链式反应，只要这两个方面取得平衡就行了。 但情况(2)引起的中子数增加是不多的，这是因为能量大子1.1兆电子伏的中子与铀238碰撞时，只有很少一部分被吸收而引起裂变，大部分散射回来，损失掉部分能量。 这样，能否维持链式反应，就要看情况(1)和(3)哪个是主要的了。在天然铀中，铀235只占一百四十分之一，所以，中子碰上铀235的机会要比碰上铀238的机会小得多。如果在同样的碰撞机会下，对热中子来说(能量下降到周围介质原子平均动能水平的中子称为热中子)，它引起铀235裂变的可能性却要比被铀238吸收的可能性大190倍。因此对热中子而言，情况(1)将超过(3)，使增殖系数k大于1。 问题在于，中子在损失其能量变成热中子之前，在能量5～100电子伏的区域内，特别容易被铀238吸收(称为共振吸收)。结果k还是小于1，链式反应难以维持。因此，要维持链式反应，就要采取某种措施，使中子的速度迅速减慢，越过强烈吸收中子的共振吸收区域，变成热中子。使用慢化剂，就能达到这一目的。 我们来看一看物体碰撞减速的情况。当一个较小的物体去碰质量大的物体时，例如用乒乓球碰桌子时，乒乓球几乎以原来的速度弹回来，动能损失很小；而当一个乒乓球去碰另一个乒乓球时，由于两者质量几乎相等，乒乓球大约将会损失掉一半的动能。因此采用原子核质量与中子质量相近的物质作慢化剂，则慢化性能比较好。当然还要求慢化剂对中子的吸收能力很小。 按上述要求，重氢是一种很合适的慢化剂，它的质量只比中子重一倍，吸收中子的能力又很低。实际使用时，一般不用重氢气体，因为它的密度太小，而是用重氢与氧化合成的重水。石墨也是一种优良的慢化剂，虽然慢化能力比重水差一些，但是价格要比重水便宜得多。 使用了慢化剂以后，大部分中子就迅速地被慢化成热中子，从而使情况(3)减少，使情况(1)增加。这样，就能使原来的非临界体系变成临界体系。例如，用重水或石墨作慢化剂，就能使天然铀体系达到临界状态。普通水也可用作馒化剂，但它吸收中子的能力较大，只有与加浓铀一起，才能构成临界体系。 考虑到情况(4)，实际体系总是有一部分中子泄漏出去的，这就要求体系有足够大的尺寸，使泄漏出去的中子数只占很小的比例，以使k值大于1，保证链式反应的进行。若在体系周围包上一层能反射中子的所谓反射层，使泄漏出去的中子一部分可以反射回来，那就更有利于链式反应的进行了。所以通常采用石墨作反射层。
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