Номер 2, страница 167 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

2. Как можно объяснить принцип действия ядерного реактора? Как осуществляется управление ядерным реактором?

2. Принцип действия ядерного реактора основан на использовании управляемой цепной реакции деления тяжелых атомных ядер, чаще всего урана-235 ($^{235}\text{U}$). Процесс выглядит следующим образом: нейтрон, попадая в ядро урана, вызывает его деление на два более легких ядра-осколка. Это деление сопровождается выделением огромного количества энергии и испусканием двух-трех новых нейтронов. Эти новые нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер урана, что приводит к развитию цепной реакции. Чтобы реакция не стала неуправляемой (как в атомной бомбе) и не затухла, ее необходимо контролировать. В реакторе поддерживается такой режим, при котором в среднем лишь один из нейтронов, родившихся в акте деления, вызывает новое деление. Такое состояние называется критическим, и для него коэффициент размножения нейтронов $k$ (отношение числа нейтронов нового поколения к числу нейтронов предыдущего) равен единице ($k=1$). Выделившаяся в результате реакции тепловая энергия отводится из активной зоны реактора с помощью теплоносителя (например, воды или жидкого натрия), который затем используется для получения водяного пара. Пар под высоким давлением вращает паровую турбину, которая приводит в движение ротор электрогенератора, вырабатывающего электрический ток.
Управление ядерным реактором заключается в регулировании скорости цепной реакции, то есть мощности реактора. Это достигается в основном с помощью управляющих стержней. Эти стержни изготавливаются из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны (например, бор или кадмий). Стержни могут вводиться в активную зону реактора или выводиться из нее. Когда стержни вводятся в активную зону, они поглощают часть нейтронов, участвующих в цепной реакции. В результате коэффициент размножения нейтронов становится меньше единицы ($k<1$), и реакция затухает, мощность реактора падает. При частичном или полном выведении стержней из активной зоны количество свободных нейтронов увеличивается, коэффициент размножения становится больше единицы ($k>1$), и мощность реактора растет. Путем точного позиционирования стержней операторы могут поддерживать коэффициент размножения на уровне $k=1$, обеспечивая стабильную работу реактора на заданной мощности. Для быстрой остановки реактора в случае нештатной ситуации предусмотрена система аварийной защиты, которая мгновенно сбрасывает все управляющие стержни в активную зону.

Ответ: Принцип действия ядерного реактора основан на поддержании управляемой цепной реакции деления тяжелых ядер с коэффициентом размножения нейтронов, равным единице. Управление реактором осуществляется путем введения в активную зону или выведения из нее специальных стержней, поглощающих нейтроны, что позволяет изменять скорость реакции и мощность реактора.

3. Понятия критического размера и критической массы связаны с условиями возникновения самоподдерживающейся цепной ядерной реакции в делящемся веществе. В ходе реакции не все нейтроны, образующиеся при делении ядер, вызывают новые деления. Часть из них может быть поглощена ядрами примесей или самим делящимся веществом без деления, а другая, значительная часть, может покинуть объем вещества, вылетев через его поверхность. Потери нейтронов через поверхность тем больше, чем больше отношение площади поверхности к объему. С увеличением размеров тела это отношение уменьшается.
Критический размер — это минимальный размер активной зоны реактора или куска делящегося вещества, при котором цепная реакция может стать самоподдерживающейся. В веществе такого размера число нейтронов, рождающихся в единицу времени в результате деления, в точности равно числу нейтронов, теряемых за то же время (из-за утечки и бесполезного поглощения). В этом случае коэффициент размножения нейтронов $k$ равен единице.
Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, обладающая критическим размером, в которой возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Если масса вещества меньше критической (состояние называется докритическим, $k<1$), цепная реакция быстро затухает, так как слишком много нейтронов теряется. Если масса превышает критическую (надкритическое состояние, $k>1$), число делений лавинообразно нарастает, что приводит к экспоненциальному росту энерговыделения. Величина критической массы зависит от типа делящегося нуклида (например, для урана-235 она составляет около 48 кг для шара, а для плутония-239 — около 10 кг), его плотности, геометрической формы (минимальная критическая масса у шара) и наличия вокруг вещества оболочки-отражателя нейтронов, которая возвращает часть вылетающих нейтронов обратно.

Ответ: Критический размер и критическая масса — это минимально необходимые размер и масса делящегося вещества, при которых число рождающихся в цепной реакции нейтронов становится равным числу теряемых нейтронов, что обеспечивает возможность самоподдерживающейся реакции (коэффициент размножения нейтронов $k=1$).