Открытие деления атомных ядер — одно из важнейших фундаментальных открытий, получившее многочисленные научно-технические применения. Предыстория этого открытия начинается с 1934 г., когда Ферми со своими сотрудниками начали облучать нейтронами атомные ядра с целью получения новых химических элементов. Нейтроны не имеют электрического заряда — для них не существует кулоновского потенциального барьера. Поэтому им легче проникать внутрь ядра и вызывать различные ядерные превращения, чем заряженным частицам. При облучении самого тяжелого из естественных (встречающихся в природе) химических элементов — урана — Ферми надеялся получить еще более тяжелые химические элементы, называемые трансуранами. Эти элементы должны быть радиоактивными, так как в противном случае они встречались бы на Земле в естественном состоянии.

Стабильных изотопов у урана всего три: ²³⁸U, ²³⁵U и ²³⁴U. Самым распространенным является ²³⁸U. Относительная распространенность остальных двух изотопов весьма мала: ²³⁵U составляет около 1/140, а ²³⁴U —всего 1/17 000 долю ²³⁸U. Допустим, что облучению подвергается один из этих изотопов, например ²³⁸U. При таком облучении возникает новый радиоактивный изотоп ²³⁹₉₂U. Этот изотоп перегружен нейтронами, а потому должен испытывать β^--распад, в результате чего возникает трансурановый элемент с Z = 93. При последующем β^--распаде должен возникать элемент с Z = 94, и т. д.

Новые радиоактивные продукты действительно были найдены, однако дальнейшие исследования показали, что радиохимические свойства многих "новых трансурановых элементов" отличались от ожидаемых. Исследование этих необычных продуктов продолжалось вплоть до 1939 г., когда радиохимики Ган и Штрассман доказали, что новые активности принадлежат не тяжелым элементам, а атомам среднего веса. Правильная интерпретация необычного ядерного процесса была дана в том же году Мейтнер и Фришем, предположившими, что возбужденное ядро урана делится на два приблизительно равных по массе осколка. На основании анализа энергий связи элементов периодической таблицы они пришли к выводу, что в каждом акте деления должно освобождаться очень большое количество энергии, в несколько десятков раз превышающее энергию, выделяющуюся при -распаде. Это подтверждалось опытами Фриша, зарегистрировавшего в ионизационной камере импульсы от осколков деления, и Жолио, показавшего на основании измерения пробегов осколков, что последние обладают большой кинетической энергией.

Из рисунка 1 видно, что наибольшую устойчивость имеют ядра с А=40-120, т.е. находящиеся в середине периодической таблицы. Энергетически выгодными являются процессы соединения (синтеза) легких ядер и деления тяжелых ядер. В обоих случаях конечные ядра располагаются в той области значений А, где удельная энергия связи большее, чем удельная энергия связи начальных ядер. Поэтому указанные процессы должны идти с выделением энергии. Пользуясь данными по удельным энергиям связи, можно оценить энергию, которая освобождается в одном акте деления. Пусть ядро с массовым числом А₁=240 делится на два равных осколка с А₂=120. В этом случае удельная энергия связи осколков по сравнению с удельной энергией связи начального ядра увеличивается на Δε ~ 0.8 МэВ (от ε₁ ~ 7.6 МэВ для ядра с А₁=240 до ε₂ ~ 8.4 МэВ для ядра с А₂=120). При этом должна выделяться энергия.

При делении ²³⁵U тепловыми нейтронами освобождается энергия около 200 МэВ. Из них ~167 МэВ приходится на кинетическую энергию осколков. Оставшаяся часть энергии распределяется между различными частицами, возникающими в процессе деления и радиоактивного распада осколков. Часть энергии деления уносится γ-квантами, испускающимися возбужденными осколками сразу после вылета мгновенных нейтронов (так называемые мгновенные γ-лучи деления), а также γ-квантами, возникающими в результате β^--распада осколков. Около 5% энергии деления уносят антинейтрино, образующиеся при β^--распаде осколков

Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Отсутствие кулоновского отталкивания позволяет нейтронам со сколь угодно малой кинетической энергией приблизиться к ядру на расстояние меньше радиуса действия ядерных сил. Захват ядром нейтрона приводит к возбуждению ядра, и, если энергия возбуждения достаточна, происходит деление. Величина сечения деления всегда меньше величины сечения захвата, так как существуют другие каналы распада возбужденных ядер.

Реактором называется устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления. При работе реактора происходит выделение тепла за счет экзотермичности реакции деления. Основной характеристикой реактора является его мощность – количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени. Мощность реактора измеряете в мегаваттах (10⁶ Вт). Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3.1016 актов деления в секунду. Имеется большое количество разных видов реакторов. Основной частью реактора является активная зона, в которой протекает реакция и тем самым выделяется энергия. В тепловых реакторах и в реакторах на промежуточных нейтронах активная зона состоит из горючего, как правило, смешанного с неделящимся изотопом (обычно ²³⁸U) и из замедлителя. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах замедлителя нет. Объем активной зоны варьируется от десятых долей литра в некоторых реакторах на быстрых нейтронах до десятков кубометров в больших тепловых реакторах. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму (например, цилиндр с высотой, примерно равной диаметру, или куб). В зависимости от относительного расположения горючего и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные реакторы. Примером гомогенной активной зоны может служить раствор уранил-сульфатной соли и U₂SO₄ в обычной или тяжелой воде. Более распространены гетерогенные реакторы. В гетерогенных реакторах активная зона состоит из замедлителя, в который помещаются кассеты, содержащие горючее. Поскольку энергия выделяется именно в этих кассетах, их называют тепловыделяющими элементами или сокращенно твэлами. Активная зона с отражателем часто заключается в стальной кожух.