У Стародавній Греції було створено чудовий міф про титана Прометея, який не злякався гніву верховного бога Зевса, викрав вогонь із горна бога вогню та ковальської справи Гефеста і передав його смертним людям. Прометей дав людям знання, навчив їх мистецтвам та ремеслам і цим подарував людству технічний прогрес.

Міф про Прометея містить мрію людей про можливості здобуття великої кількості дешевої енергії, без якої технічний прогрес неможливий. Саме таку енергію людство навчилося здобувати в ХХ столітті, здійснивши керовану реакцію поділу атомних ядер під дією нейтронів.

У 1934 р. в Римі видатний італійський учений Енріко Фермі зі співробітниками виконав фундаментальні роботи з опромінення ядер урану нейтронами. Для своїх експериментів Фермі використав радон-берилієве джерело нейтронів, будова якого була досить простою. Невелика порожниста скляна кулька заповнювалося порошкоподібним берилієм, повітря відкачувалося, а порожнина кульки наповнювалася радіоактивним газом радоном. Ядра ізотопу ²²²Rn випускають α-частинки з періодом піврозпаду T_1/2 = 3,8235 діб, які розщеплюють ядра ⁹Be на дві α-частинки та нейтрон (енергія зв’язку ядра ⁹Be відносно до розділення на дві α-частинки та нейтрон становить усього 1,67 МеВ).

В експериментах, які проводив Фермі зі своїми співробітниками Едуардо Амальді, Оскаром д’Агостіньо, Франко Разетті та Еміліо Сегре, відбувався, звичайно, поділ ядер урану під дією нейтронів, але він не був виявлений, оскільки тоді не вдалося надійно ідентифікувати продукти поділу, а Фермі зі співробітниками не звернули увагу на статтю, яку прислала їм німецький фізико-хімік Іда Ноддак. Вона висловила в 1934 р. припущення про можливість протікання реакції поділу атомних ядер при захопленні ними нейтронів, унаслідок чого ядро розпадається на дві або більшу кількість частин, які є ізотопами відомих елементів. Ось що писала Іда Ноддак з приводу експериментів, що проводилися під керівництвом Фермі: «Можна також з рівною підставою вважати, що в цьому новому типі ядерного розпаду, здійсненого за допомогою нейтронів, мають місце важливі ядерні реакції, які відрізняються від реакцій, що спостерігалися раніше. Можна припустити, що при бомбардуванні нейтронами важких ядер (таких, як уран) вони розколюються на декілька крупних уламків, які насправді є ізотопами (двійниками) відомих елементів, а не сусідами елементів, підданих опроміненню». Однак на статтю Іди Ноддак ніхто не звернув уваги, оскільки світове наукове товариство тоді ще не було готове сприйняти та обміркувати цю нову ідею.

Роботи групи Фермі відіграли важливу роль у розвитку ядерної фізики, оскільки вони дали змогу відкрити цілу низку нових штучних радіоактивних елементів. За ці роботи, в яких було відкрито штучну радіоактивність, викликану бомбардуванням ядер повільними нейтронами, Фермі була присуджена Нобелівська премія з фізики за 1938 р.

Близькими до відкриття поділу ядер були також Ірен Жоліо-Кюрі та Павле Савич, які працювали в Парижі. Вони в 1938 р. опромінювали уран нейтронами, але не змогли правильно визначити хімічні елементи, які утворювалися при розщепленні ядер урану. Вони вважали, що в своїх експериментах здобували новий трансурановий елемент.

Німецькі фізики Отто Ган і Фріц Штрассман відкрили поділ ядер під дією нейтронів у 1938 р. Гану і Штрассману важко було повірити, що вони дійсно спостерігали поділ ядер урану під дією нейтронів, оскільки в можливість такого процесу не вірили знамениті вчені Ейнштейн, Планк, Бор і Фермі. Тому Ган і Штрассман написали у своїй статті, яку було опубліковано в німецькому журналі «Натурвіссеншафтен» 6 січня 1939 р., що вони спостерігали внаслідок взаємодії нейтронів дуже малої енергії з ядрами урану три елементи середньої атомної ваги: барій (Z = 56), лантан (Z = 57) і церій (Z = 58).

Про своє відкриття Ган сповістив Лізе Мейтнер, з якою він працював понад тридцять років. Однак в цей час Лізе Мейтнер перебувала в еміграції у Стокгольмі. Разом із своїм племінником Отто Фрішем, який пізніше здобув прізвисько «Поділ», вони правильно інтерпретували відкриття Гана і Штрассмана як поділ ядер урану. Мейтнер і Фріш опублікували історичну статтю «Поділ урану за допомогою нейтронів – новий тип ядерної реакції» в англійському журналі «Нейчур» 11 лютого 1939 р. У ній було надано пояснення фактів, виявлених Ганом і Штрассманом. Вони писали: «Тому здається можливим, що ядро урану має лише невелику стабільність і може після захоплення нейтрона розділитися на два ядра приблизно рівної величини. Ці два ядра будуть відштовхувати одне одного (тому що обидва несуть великі позитивні заряди) і мають дістати кінетичну енергію близько 200 мільйонів електрон-вольт, як це розраховано по ядерному радіусу та заряду».

За відкриття реакції поділу ядер нейтронами Гану було присуджено Нобелівську премію з хімії за 1944 р. Лізе Мейтнер і Отто Фріш назвали новий тип ядерної реакції поділом ядра завдяки його зовнішній схожості з процесом поділу клітини, який викликає розмноження бактерій, подібно до того, як раніше Резерфорд увів поняття «ядро атома» за аналогією з ядром клітини. Незабаром у 1939 р. данець Нільс Бор та американець Джон Уілер на основі аналогії між ядром і рідкою краплею побудували теорію процесу поділу. Аналогічну теорію незалежно запропонував також у 1939 р. радянський фізик Яків Френкель.

Реакція поділу під дією нейтронів спостерігається на ядрах торію (₉₀Th), протактинію (₉₁Pa) та урану (₉₂U), а також на ядрах трансуранових елементів, тобто елементів, розташованих за ураном. Поділ ядер може відбуватися під дією повільних або швидких нейтронів. Спроможність ділитися під дією нейтронів різна для різних ізотопів ядер, причому вона істотно залежить від енергії нейтронів. Наприклад, природний уран містить близько 0,72% ядер ізотопу ²³⁵U, а решта – ядра ізотопу ²³⁸U. Виявляється, що ядра ²³⁵U спроможні ділитися під дією нейтронів, які мають як завгодно малі кінетичні енергії, тоді як ядра ²³⁸U можуть ділитися тільки під дією швидких нейтронів, кінетичні енергії яких перевищують величину 1.44 МеВ. Відзначимо, що ізотоп ²³⁵U відкрив професор Чикагського університету Артур Джеффрі Демпстер у 1935 р.

При поділі важких ядер під дією нейтронів, крім ядер-уламків, утворюються вторинні нейтрони, які в свою чергу спроможні викликати поділ інших ядер. Ці нейтрони розподілені за енергіями безперервно, причому більшість із них мають енергії близько 1–2 МеВ, а їхня максимальна енергія досягає величини близько 10 МеВ. Отже, виявляється можливість здійснення ланцюгової реакції поділу ядер.

Поняття ланцюгової реакції давно відоме в хімії. Наприклад, при згорянні вугілля атоми вуглецю з’єднуються з атомами кисню, утворюючи при цьому двоокис вуглецю. Ця реакція є екзотермічною, тобто протікає з виділенням енергії, оскільки при згорянні вугілля виділяється близько 4,2 еВ енергії на кожну утворювану молекулу CO₂. Однак для того щоб вугілля почало горіти, йому потрібно передати деяку початкову енергію, тобто його необхідно підпалити. Енергії, яка виділяється при синтезі однієї молекули CO₂, виявляється достатньо для того, щоб почалося «горіння» сусідніх атомів вуглецю. Отже, горіння вуглецю є прикладом самопідтримуваної ланцюгової хімічної реакції. Відзначимо, що за дослідження ланцюгових хімічних реакцій радянський вчений Микола Семенов, засновник хімічної фізики, був удостоєний Нобелівської премії з хімії за 1956 р. При сприятливих умовах поділ ядер під дією нейтронів також може стати самопідтримуваною ланцюговою реакцією поділу.

Внаслідок поділу ядер в основному утворюються швидкі нейтрони. При їхніх зіткненнях з ядрами урану поряд із процесами поділу найбільш імовірні непружне розсіяння та радіаційне захоплення нейтронів. Останні процеси роблять неможливою ланцюгову реакцію на швидких нейтронах. Тому потрібно створити умови, які сприяють протіканню ланцюгової реакції поділу на повільних нейтронах. З цією метою в уран потрібно ввести сповільнювач – легкий елемент, ядра якого ефективно сповільнять нейтрони при пружному розсіянні та слабко їх поглинають. Як сповільнювач можна використати графіт або важку воду, в яку замість водню входить дейтерій.

Для застосування урану як матеріалу, що зазнає поділу, його потрібно збагатити ізотопом ²³⁵U, який ділиться під дією повільних нейтронів. Однак ізотопи ²³⁵U і ²³⁸U мають цілком однакові хімічні властивості, тобто їх не можна розділити ніякими хімічними методами. Тому їхнє розділення було важливою принциповою проблемою, без розв’язання якої неможливо було створити ядерний реактор і ядерну бомбу. Розв’язання цієї проблеми вперше здійснив Франц Сімон, який працював у Кларендонській лабораторії (Оксфорд, Англія), куди він у 1933 р. переїхав із Берліна. Саме він наприкінці 1939 р. запропонував метод газодифузійного розділення ізотопів, заснований на так званому законі Грехема.

Закон газової дифузії вперше сформулював шотландський фізик Томас Грехем у 1829 р. На початку 30-х років ХХ століття газодифузійний метод використав Густав Герц для розділення ізотопів неону. Наприкінці 1942 р. до ідеї використання газодифузійного методу для розділення ізотопів прийшов також американський вчений Даннінг.

Ідея цього методу полягає в тому, що коли два гази, один з яких важчий за інший, пропускати крізь фільтр (сито) з дуже маленькими отворами, то крізь нього пройде трохи більше легкого газу, ніж важкого. Оскільки різниця між молекулярною вагою ізотопів урану є малою, то їх потрібно пропускати крізь такі фільтри багато тисяч разів. Уран для цього з’єднують із фтором, тому що шестифтористий уран UF₆ є єдина газоподібна сполука урану. Пізніше був розроблений більш ефективний метод розділення ізотопів урану за допомогою спеціальних центрифуг.

Введенням сповільнювача, ядра якого не мають властивості радіаційного захоплення нейтронів при розглядуваних енергіях, досягається можливість зменшити роль радіаційного захоплення нейтронів ядрами ²³⁸U, внаслідок чого утворюється плутоній. Тому при сповільненні нейтронів створюються сприятливі умови для розвитку ланцюгової реакції з використанням ізотопу ²³⁵U як подільного матеріалу.

При протіканні ланцюгової реакції несприятливе співвідношення між великою імовірністю радіаційного захоплення нейтронів ядрами ²³⁸U і невеликою імовірністю поділу ядер ²³⁵U з урахуванням їхньої малої концентрації в природній суміші ізотопів урану має місце аж до самих малих енергій нейтронів. Однак положення істотно змінюється при енергіях нейтронів, менших за енергію найнижчого резонансного рівня ядра ²³⁸U, яка становить декілька еВ.

Отже, тепер можна сформулювати умови, потрібні для протікання ланцюгової реакції поділу на повільних нейтронах. Позначимо P імовірність того, що первісний швидкий нейтрон буде захоплений ядром урану з наступним поділом. Тоді середня кількість нейтронів другого покоління, що утворилися внаслідок поділу ядер урану під дією первісних нейтронів, буде дорівнювати k = Pυˉ, де υˉ– середня кількість вторинних нейтронів, які утворюються в одному акті поділу: υˉ=2,3±0,3. Величина k називається коефіцієнтом розмноження системи. Якщо розміри системи нескінченні, тобто відсутній вихід нейтронів крізь поверхню системи, то саморозвиток ланцюгової реакції поділу може протікати при k > 1. Якщо k < 1, то протікання ланцюгової реакції неможливе.

Запаси вугілля, нафти та газу в надрах нашої планети обмежені, а їхнє спалювання призводить до забруднення навколишнього середовища. Тому цілком очевидно, що без ядерної енергії людству не розв’язати енергетичну проблему та, природно, не вижити. Незадовго до своєї смерті в 1937 р. «батько» ядерної фізики Ернест Резерфорд сказав, що ніколи не вдасться використати для практичних цілей величезні запаси енергії, які зберігаються в атомних ядрах, хоч всього через два роки його учень Отто Ганн із своїм колегою Фріцем Штрассманом здійснили експеримент з поділу ядер урану, зовсім не підозрюючи про його наслідки.

Ланцюгову реакцію поділу можна використати як джерело колосальної енергії. Це досягається в спеціальних пристроях, які називаються ядерними реакторами, а також при вибухах ядерних бомб.

Для використання ланцюгової реакції поділу атомних ядер з метою здобуття енергії потрібно, щоб така реакція була керованою. Тому ядерні реактори являють собою складні пристрої, в яких ланцюгові реакції повністю контролюються. Якщо ж ланцюгова реакція в реакторі вийде з-під контролю, то може відбутися катастрофа – вибух реактора з дуже важкими наслідками для населення та навколишнього середовища. Саме така ситуація призвела до вибуху реактора Чорнобильської атомної електростанції у квітні 1986 р.

Для регулювання ланцюгової реакції в реакторі, крім речовини, що зазнає поділу, та сповільнювача, ще розташовують поглиначі нейтронів. Як поглиначі звичайно застосовують бор (¹⁰B) і кадмій. Якщо потрібно зменшити виділення енергії в реакторі, то достатньо ввести в нього додаткові поглиначі нейтронів, і ланцюгова реакція поділу почне загасати. Очевидно, що поглиначі мають вводитися в активну зону реактора дуже швидко, оскільки запізнення на долі секунди може призвести до катастрофи. Тому регулювання ланцюгової реакції в реакторі здійснюється автоматично за допомогою комп’ютерів.

У реакторі весь час відбувається зміна поколінь нейтронів, яких в активній зоні завжди дуже багато: у кожному кубічному сантиметрі реактора міститься приблизно півмільярда нейтронів. Якщо в початковий момент в реакторі було n₀ теплових нейтронів, то деякі з них (але, звичайно, не всі) викличуть поділ ядер і тому появляться швидкі вторинні нейтрони, які потім перетворяться за допомогою сповільнювачів на теплові. Вони в свою чергу викличуть нові реакції поділу ядер і появу нових нейтронів. Так буде продовжуватися до того часу, поки в реакторі буде протікати ланцюгова реакція поділу. Позначимо n₁ кількість нейтронів другого покоління. Тоді можна ввести середній час життя нейтронів одного покоління. Очевидно,  це буде той час, який є необхідним, щоб відбулася заміна нейтронів одного покоління іншим. Для реакторів на повільних (теплових) нейтронах цей час за порядком величини становить 10^–3–10^–4 с.

Відношення кількості нейтронів у деякому поколінні до їхньої кількості в попередньому поколінні, взятих на однаковій стадії їхньої часової еволюції, називається ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів, k_eff=n₁/n₂. Величину

 ρ=(k_eff –1)

називають реактивністю реактора. В залежності від величини  або  існує три режими роботи реактора.

Якщо k_eff >1, тобто ρ>0, то це надкритичний режим роботи реактора. Такий режим має місце, наприклад, при запусканні реактора, коли відбувається його розгін до потрібної потужності.

 Якщо k_eff =1, ρ=0, то це критичний режим роботи реактора, коли він працює з постійною потужністю.

Якщо k_eff <1, ρ<0, то це підкритичний режим роботи реактора. Такий режим створюється, наприклад, при зупинці реактора, коли його потужність поступово зменшується. Звідси стає зрозумілим, що робота реактора атомної електростанції (АЕС) є ефективною тоді, коли він працює в критичному режимі. Постійна підтримка ефективного режиму є досить непростою технічною задачею, яка вимагає неперервного контролю всіх параметрів роботи такого складного пристрою, як ядерний реактор.

При створенні конструкції реактора важливою проблемою є відведення енергії (тепла) з його активної зони. Для цього передбачається спеціальний теплоносій, яким може бути вода, двооксид вуглецю CO₂, важка вода або рідкий (розплавлений) натрій. Теплоносій нагрівається в активній зоні реактора і віддає свою теплову енергію зовнішньому пристрою або другому контуру. Справа в тому, що в активній зоні теплоносій зазнає потужного опромінення, яке створює в його ядрах наведену штучну радіоактивність. Якщо теплоносій передає енергію безпосередньо турбіні, яка виробляє електроенергію, то можна обмежитись одноконтурною схемою відведення енергії з активної зони реактора. Якщо ж зробити два або навіть три контури, то до споживача теплову енергію буде доставляти вже чистий (нерадіоактивний) теплоносій.

Ефективність ядерних реакторів досить велика. При поділі ядер звільнюється гігантська енергія: при повному поділі одного кілограма урану виділяється стільки ж тепла, як і при згорянні 2000 – 3000 тонн вугілля. Тому державам, які не мають достатніх природних запасів вугілля, нафти та газу, потрібно створювати систему атомних електростанцій.

Сучасна АЕС являє собою дуже складну споруду висотою приблизно з десятиповерховий будинок. Однак, незважаючи на технічну складність, АЕС мають великі переваги порівняно з тепловими електростанціями. Вартість електроенергії, яку виробляє АЕС, значно менша за вартість електроенергії теплової станції. АЕС потужністю 1 ГВт витрачає приблизно 1 кг ізотопу ²³⁵U за добу, тоді як теплова станція такої ж потужності спалює залізничний состав вугілля або нафти за такий же час.

Якщо декілька шматків речовини, що зазнає поділу, які сумарно перевищують так звані критичні розміри, швидко з’єднати, то відбудеться вибух дуже великої потужності. Це явище є основою ядерного озброєння. Як вибухівка 1 кг ядерного палива, яке використовується в ядерній бомбі, еквівалентний 20000 тонн тротилу. Створення ядерного реактора та ядерної бомби були результатом найбільшої за всю історію людства концентрації розумових зусиль багатьох учених.

Уміння здобувати вогонь відіграло ключову роль у розвитку технічного прогресу. Використання «атомного вогню» внаслідок поділу ядер урану стало поворотним пунктом у розвитку сучасної науки і техніки, ознаменувало початок «атомної ери» в історії людства та здійснило давню мрію людей про здобування великої кількості енергії, яка закладена в міфі про Прометея.

Ю.А. Бережний, доктор фізико-математичних наук, заслужений професор Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, лауреат премії імені О.С. Давидова НАН України