Номер 3, страница 215 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 58. Использование энергии деления ядер. Ядерная энергетика. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 3, страница 215.

3. В результате каких процессов в ядерном реакторе производится плутоний ${}_{94}^{239}\text{Pu}$? Для каких целей он может быть использован?

В результате каких процессов в ядерном реакторе производится плутоний ${}^{239}_{94}\text{Pu}$?

Плутоний-239 (${}^{239}_{94}\text{Pu}$) образуется в ядерных реакторах, работающих на урановом топливе, в результате цепочки ядерных превращений, начинающейся с изотопа урана-238 (${}^{238}_{92}\text{U}$). Природный уран состоит в основном из неделящегося под действием тепловых нейтронов урана-238 (около 99,3%) и делящегося урана-235 (около 0,7%).

Процесс производства плутония-239 включает следующие этапы:

1. Захват нейтрона: Ядро урана-238 поглощает один из нейтронов, которые в большом количестве присутствуют в активной зоне работающего реактора (они образуются при делении ядер урана-235). В результате этого образуется нестабильный изотоп уран-239.

   Уравнение реакции: $${}^{238}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{239}_{92}\text{U}$$

2. Первый бета-распад: Изотоп уран-239 является радиоактивным и быстро (период полураспада около 23,5 минут) претерпевает бета-распад. Один из нейтронов в ядре превращается в протон, испуская электрон (${}^{0}_{-1}\text{e}$) и антинейтрино. В результате атомный номер увеличивается на единицу, и образуется ядро нептуния-239.

   Уравнение реакции: $${}^{239}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{239}_{93}\text{Np} + {}^{0}_{-1}\text{e}$$

3. Второй бета-распад: Образовавшийся нептуний-239 также нестабилен (период полураспада около 2,36 суток) и претерпевает второй бета-распад. Еще один нейтрон превращается в протон, и ядро нептуния превращается в ядро плутония-239.

   Уравнение реакции: $${}^{239}_{93}\text{Np} \rightarrow {}^{239}_{94}\text{Pu} + {}^{0}_{-1}\text{e}$$

Таким образом, плутоний-239 является побочным продуктом работы большинства ядерных реакторов, но его также можно целенаправленно нарабатывать в реакторах-размножителях (бридерах), которые специально создаются для производства большего количества делящегося материала, чем потребляется.

Ответ: Плутоний-239 производится в ядерном реакторе в результате захвата нейтрона ядром урана-238 с последующими двумя последовательными бета-распадами.

Для каких целей он может быть использован?

Плутоний-239 является делящимся материалом, то есть его ядра способны к цепной реакции деления под действием нейтронов, подобно урану-235. Это свойство определяет его основные области применения:

• Ядерное топливо: Плутоний-239 может использоваться в качестве топлива для атомных электростанций. Его можно смешивать с оксидом обедненного урана для создания так называемого МОКС-топлива (смешанное оксидное топливо), которое используется в обычных тепловых реакторах. Также плутоний является основным топливом для реакторов на быстрых нейтронах. Использование плутония в качестве топлива позволяет значительно расширить топливную базу ядерной энергетики, вовлекая в топливный цикл неделящийся уран-238.
• Ядерное оружие: Благодаря способности к делению и относительно малой критической массе, плутоний-239 является одним из основных материалов, используемых для создания ядерного оружия.

Стоит отметить, что другой изотоп, плутоний-238, используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для энергоснабжения космических аппаратов (например, "Вояджер", "Кьюриосити") и удаленных объектов, но плутоний-239 для этих целей, как правило, не подходит из-за иного характера излучения и более короткого периода полураспада.

Ответ: Плутоний-239 может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций (в том числе в виде МОКС-топлива) и как основной компонент для создания ядерного оружия.