Номер 1, страница 131, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

1. Как осуществляется цепная ядерная реакция?

1. Как осуществляется цепная ядерная реакция?

Решение:

Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс, в котором реакция, вызванная одной частицей, приводит к появлению новых частиц, способных вызвать аналогичные реакции. В основе лежит процесс деления тяжелых атомных ядер.

Рассмотрим механизм на примере деления ядер урана-235 ($^{235}U$):

Этап 1: Инициирование реакции. Процесс начинается, когда свободный нейтрон ($\text{n}$) сталкивается с ядром тяжелого элемента, способного к делению, например, урана-235. Ядро поглощает нейтрон, переходя в возбужденное и нестабильное состояние ($^{236}U^*$).

Этап 2: Деление ядра и высвобождение энергии. Возбужденное ядро $^{236}U^*$ почти мгновенно распадается на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления (например, ядра бария и криптона). Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии (около 200 МэВ на одно ядро) в виде кинетической энергии осколков и гамма-излучения. Пример одной из возможных реакций:

$^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow ^{236}_{92}U^* \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3(^{1}_{0}n) + \text{энергия}$

Этап 3: Высвобождение новых нейтронов и развитие цепи. Ключевым моментом для цепной реакции является то, что при делении одного ядра урана-235 испускается в среднем от 2 до 3 новых нейтронов. Эти новые нейтроны могут, в свою очередь, столкнуться с другими ядрами урана-235, вызывая их деление. Каждый акт деления порождает новые нейтроны, которые вызывают новые деления. Этот лавинообразный, самоподдерживающийся процесс и называется цепной реакцией.

Условия для осуществления цепной реакции:

Для того чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо выполнение определенных условий, которые описываются коэффициентом размножения нейтронов ($\text{k}$) — отношением числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем.

1. Коэффициент размножения $k < 1$. Число нейтронов уменьшается, реакция затухает (субкритическое состояние).

2. Коэффициент размножения $k = 1$. Число нейтронов постоянно, реакция идет со стационарной скоростью (критическое состояние). Этот режим используется в ядерных реакторах для контролируемого производства энергии.

3. Коэффициент размножения $k > 1$. Число нейтронов лавинообразно растет, реакция ускоряется (сверхкритическое состояние). Этот режим используется в ядерном оружии и при запуске реактора.

Достижение нужного коэффициента размножения зависит от нескольких факторов, включая:

Критическая масса: Это минимальное количество делящегося вещества, необходимое для поддержания цепной реакции ($k \ge 1$). Если масса вещества меньше критической, слишком много нейтронов покидает его объем, не успев вызвать новые деления.

Наличие замедлителя и отражателя нейтронов: Нейтроны, рождающиеся при делении, являются быстрыми. Для деления $^{235}U$ более эффективны медленные (тепловые) нейтроны. Поэтому в реакторах используют замедлители (например, вода, графит). Отражатель (например, из бериллия) окружает активную зону и возвращает в нее часть вылетающих нейтронов, уменьшая их утечку и снижая критическую массу.

Управление реакцией: В ядерных реакторах для поддержания $k=1$ используют управляющие стержни из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (бор, кадмий). Вдвигая или выдвигая стержни, можно изменять скорость реакции.

Ответ:

Цепная ядерная реакция осуществляется за счет того, что при делении одного тяжелого ядра (например, урана-235) под действием нейтрона, помимо осколков деления и энергии, высвобождаются несколько новых нейтронов. Эти новые нейтроны, в свою очередь, вызывают деление других ядер, что приводит к лавинообразному самоподдерживающемуся процессу. Для осуществления реакции необходимо, чтобы в среднем хотя бы один из вновь образовавшихся нейтронов вызывал следующее деление (коэффициент размножения нейтронов $k \ge 1$), что достигается при наличии достаточного количества делящегося вещества (критической массы) и определенных условиях (наличие замедлителя, управление потоком нейтронов).