Было очевидно, что в качестве замедлителей выгодно использовать вещества с малой атомной массой. Ведь чем тяжелее неподвижный шарик, в который ударяется шарик движущийся, тем меньшую долю своей энергии он передаёт неподвижному шарику. А при равенстве масс шариков движущийся передаёт неподвижному всю энергию, а сам останавливается.
Самые легкие атомные ядра – ядра водорода. Однако водород сильно поглощает тепловые нейтроны и поэтому не может использоваться для осуществления цепной реакции на природном уране. Только дейтерий (в виде тяжелой воды), углерод (в виде графита) и бериллий могут быть использованы как замедлители. Казалось бы, успех близок, хороший замедлитель найден. Но на пути к цели природа поставила ещё одно препятствие. Мы уже знаем, что природный уран в основном состоит из атомов ypaна-238. Оказалось, что ядра уранa-238 жадно захватывает нейтроны с энергией от 1000 до 5 эВ, а все появившиеся в результате деления ядер урана быстрые нейтроны в процессе замедления до тепловых скоростей должны пройти через эту область энергии, которую назвали областью резонансного захвата. Значит, замедляясь, нейтроны, захваченные ядрами урана-238, должны теряться.
Эту трудность тоже удалось преодолеть. Уран решили не смешивать с замедлителем, а распределять его в среде замедлителя в виде отдельных блоков (шаров или стержней) на таком расстоянии друг от друга, чтобы быстрые нейтроны, вылетевшие из урана, замедлялись до энергий ниже опасных энергий резонансного захвата раньше, чем могли пасть в уран. Такое неравномерное расположение урана в замедлителе принято называть гетерогенным, а равномерное (в виде смеси или раствора) - гомогенным.
И еще одно условие: уран и графит, должны быть очень чистыми. Особенно важно, чтобы содержание в них веществ, интенсивно поглощающих тепловые нейтроны (бора, кадмия и редкоземельных элементов), было маленьким. Материалов такой чистоты до создания реакторов нигде не производилось. Потребовалась долгая и упорная работа, чтобы делать материалы нужного качества.
Сердце реактора
Уран и замедлитель - сердце реактора, его активная зона. Чтобы реактор мог работать размер его активной зоны должен прёвышать определённую критическую величину, иначе цепная ре разовьется, так как большая часть нейтронов, образующихся при делении урана, будет вылетать наружу. При увеличении объема активной зоны отношение количества нейтронов к остающимся в зоне уменьшается, т. к. отношение поверхности шара к его объему уменьшается по мере увеличения радиуса.Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны её окружают отражателем в качестве замедлителя. За счет отражателя критические размеры активной зоны несколько уменьшаются. Критические размеры зоны зависят от физических свойств материалов.