Критическая масса – минимальная масса делящейся среды при которой в ней возможна самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Критическая масса и критические размеры зависят также от формы активной зоны реактора. Для шара они меньше чем для цилиндра или параллелепипеда.
Необходимым условием для осуществления практической реализации цепной реакции деления, является наличие критической массы делящейся среды. Однако это не единственное условие. Получив критическую массу делящегося вещества, мы можем получить атомную бомбу, вместо атомной станции, если не сможем управлять цепной реакцией деления.
Процесс управления цепной реакцией сводится, в конечном счете, к изменению коэффициента размножения.
Рассмотрим некий абстрактный реактор. Время жизни нейтронов t (время от образования в результате деления до поглощения) составляет от Е-3 с до Е-5 с. Пусть для увеличения мощности реактора мы увеличили коэффициент размножения на 0.1 %. В какой то момент времени он станет равным 1.001. Тогда количество нейтронов будет увеличиваться на 0.01 % в каждом новом поколения. За 1 секунду сменится 1000 поколений нейтронов и их количество увеличится, в 2.47 раз. Количество нейтронов прямо пропорционально мощности. Следовательно, за секунду мощность реактора увеличится в два с половиной раза, а еще через несколько секунд реактор расплавится. Ясно, что управлять таким реактором очень сложно. Как же происходит управление на самом деле?
К нашей большой радости не все нейтроны образуются сразу, в результате деления, часть из них, около 0.7 %, образуется в результате распадов ядер осколков. Например: возможна такая последовательность событий. В результате деления один из образовавшихся осколков может быть бором, который через 16 секунд через распад превращается в неустойчивый криптон который в свою очередь испускает нейтрон.
Нейтроны, образовавшиеся в результате деления, называются мгновенными нейтронами. Нейтроны, образовавшиеся в результате цепочки распадов осколков, называются запаздывающими нейтронами. Ядра, испускающие нейтроны называются ядра предшественники.

 

* * *

Фактически реакторов без отражателей нейтронов не существует. Активная зона, покоящаяся на фундаменте, уже, по крайней мере, снизу имеет отражатель, поскольку все вещества отражают нейтроны. Однако понятно, что эффективность отражения нейтронов тем выше, чем больше альбедо вещества-отражателя. Размещение отражателей вблизи тела, в объёме которого диффундируют порождаемые каким-то источником нейтроны, приводит к снижению утечек нейтронов. Часть тех нейтронов, которые в процессе диффузии по достижении поверхности тела покидали его объём, возвращается назад, так как в веществе отражателя нейтроны также участвуют в хаотической диффузии. Отражённые нейтроны снова отражаются от первого объёма и так далее, что, прежде всего, сопровождается повышением нейтронного потока на границе тела и отражателя. Повышение потока в граничных точках по отношению к потоку внутри тела означает снижение градиента потока на границе или диффузионного тока, равного утечке нейтронов с единицы площади поверхности тела в единицу времени.
Если иметь в виду не произвольную среду с посторонним источником нейтронов, а размножающую в критическом состоянии, то уменьшение утечки при присоединении к активной зоне отражателя увеличивает энергию и переводит реактор в надкритическое состояние. Чтобы реактор снова стал критическим, следует, в свою очередь, снизить энергию за счет уменьшения объёма активной зоны. Таким образом, критические размеры реактора с отражателем всегда меньше, чем реактора без отражателя. С практической точки зрения это выгодно. Выделение энергии в реакторе возможно только в критическом состоянии. Когда в силу естественных причин реактор становится подкритичным, энерговыделение прекращается и часть делящегося материала реактора остается неиспользованной. Само собой разумеется, эту часть целесообразно сделать, возможно, меньшей. Применение отражателей в какой-то мере служит этой цели.
 

 

Согласно первоначальному плану, котел в ядерном реакторе должен иметь приблизительно сферическую форму, причем наиболее чистые уран и графит нужно размещать вблизи центра. Контрольные измерения показали, однако, что критические размеры были достигнуты раньше, чем была завершена запроектированная сфера, и, в соответствии с этим, конструкция была видоизменена. В окончательном виде котел представляет из себя сплющенный сфероид, плоский в верхней части. Необходимо расположить блоки урана или окиси урана на одинаковых друг от друга расстояниях в кубической решетке, внутри графита. Графит нарезается в виде кирпичей и складывается слоями, попеременно содержащие и не содержащие урановые блоки. Эти блоки располагаются по углам квадратных плит графита. Критические размеры были достигнуты, когда котел был уложен до высоты лишь в три четверти той, которая казалась необходимой по самым осторожным расчетам. После этого был добавлен всего лишь один слой.
Для управления и выполнения экспериментов имелось десять каналов, пронизывающих весь котел. Три из них вблизи центра применялись для регулирующих и аварийных стержней. Для облегчения экспериментирования, в частности, для удаления образцов, один ряд графитовых кирпичей, несущих уран и проходящих вблизи центра, был уложен так, что его можно было целиком выдвигать из котла.