Для работы ядерного реактора основные ядерные реакции должны удовлетворять двум условиям:
1) на каждый поглощенный нейтрон должно выделяться больше одного нейтрона;
2) реакция должна быть экзотермической, а энергия образующего нейтрона должна превышать энергию нейтрона, которая необходима, чтобы вызвать реакцию деления.
Этим условиям удовлетворяют реакции нейтронов с тремя изотопами: U235, U233, Pu239. Эти изотопы и являются приемлемым топливом для ядерных реакторов. Кроме того, существует возможность использовать Pu241 и другие изотопы, но их очень мало для того, чтобы можно было осуществить их промышленное использование.
Существует еще несколько интересных изотопов, таких как U238, Th232 Они делятся со средним числом рождающихся на один акт поглощения нейтронов h » 2, реакция идет с выделением энергии, но не совсем удовлетворяет второму условию. Эти изотопы имеют энергетический порог деления, т.е. нейтроны с энергией меньшей пороговой En = 1,4 МэВ (0,224 кДж) не могут вызвать деления этих ядер. Хотя средняя энергия рождающихся ядер Ed » 2 МэВ (0,32 кДж), но в результате возможных потерь энергии при рассеянии ниже En нейтроны не могут вызвать процесса деления. Поэтому на изотопах U238, Th232 невозможно построить критический реактор.
U235 составляет часть естественного урана, а U233 и Pu239 могут быть получены лишь искусственно в ядерных реакторах.
Природный уран имеет следующий состав:
U238 - 99,28%
U235 - 0,71%
U233 - 0,006%
Природный уран является топливом невысокого качества, так как только один из его изотопов, а именно U235, испытывает деление при столкновении с нейтронами малой энергии. А этого изотопа меньше 1% в смеси. Среднее число нейтронов рождающихся при поглощении одного нейтрона в естественной смеси изотопов урана h » 1,34, что больше 1. Таким образом, на естественном уране, в принципе можно организовать незатухающую ценную реакцию, но при этом необходимо увеличивать вероятность избежать утечки и уменьшить до минимума вероятность непроизводительного захвата нейтронов другими ядрами, активной зоны реактора. Но изотопы U238 и Th232 не являются просто ненужным балластом. Дело в том, что под действием поглощения нейтронов путем ряда b распадов эти изотопы дают делящиеся изотопы:
,
Pu239 и U233 – хорошее горючее. На одно ядро U238 и Th232 получается по одному ядру полезного горючего. Поэтому изотопы U238 и Th232 называют вторичным топливом. Перед инженерами стоит задача так сжигать естественный уран, чтобы полностью были использованы изотопы U238 и Th232, а не только U235. Для этого необходимо правильно организовать воспроизводство делящихся изотопов.