Номер 5, страница 208 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

5. Можно ли уменьшить критическую массу урана в реакторах?

Да, критическую массу урана в реакторах можно и нужно уменьшать для их эффективной работы. Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, в данном случае урана, необходимая для запуска и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Суть реакции в том, что каждый акт деления ядра должен вызывать в среднем один новый акт деления в следующем "поколении". Это состояние характеризуется коэффициентом размножения нейтронов $k=1$.

Критическая масса не является постоянной величиной для вещества, а сильно зависит от условий, в которых это вещество находится. Главная задача для уменьшения критической массы — это снижение потерь нейтронов, которые могут либо покинуть активную зону реактора, либо поглотиться материалами без последующего деления. В современных реакторах для этого применяют несколько основных методов.

Использование замедлителя нейтронов

Нейтроны, испускаемые при делении ядер урана-235, обладают высокой энергией (это так называемые «быстрые» нейтроны). Однако ядра урана-235 наиболее эффективно делятся при захвате «медленных» (тепловых) нейтронов. Чтобы повысить вероятность деления, быстрые нейтроны необходимо замедлить. Для этого в активную зону реактора помещают вещество-замедлитель, например, обычную воду, тяжелую воду или графит. Атомы замедлителя, сталкиваясь с быстрыми нейтронами, отбирают у них энергию, превращая их в медленные. Эффективное замедление нейтронов резко увеличивает вероятность их участия в цепной реакции, что позволяет значительно снизить требуемую массу урана.

Использование отражателя нейтронов

Чтобы уменьшить утечку нейтронов из активной зоны, ее окружают специальной оболочкой — отражателем. Материал отражателя (например, бериллий или графит) не поглощает нейтроны, а упруго рассеивает их, возвращая значительную часть обратно в активную зону. Таким образом, нейтроны, которые в ином случае были бы потеряны, получают дополнительный шанс вызвать деление, что также способствует уменьшению критической массы.

Повышение степени обогащения урана

Природный уран содержит всего около 0.7% делящегося изотопа урана-235, а основную часть (~99.3%) составляет уран-238, который в основном поглощает нейтроны без деления. Увеличивая долю урана-235 в топливе (этот процесс называется обогащением), можно повысить эффективность цепной реакции. В энергетических реакторах обычно используют уран с обогащением 3-5%. Чем выше степень обогащения, тем меньше общая масса урана, необходимая для достижения критического состояния.

Оптимизация геометрии и плотности

Утечка нейтронов происходит через поверхность активной зоны. Чтобы минимизировать утечку, необходимо уменьшить отношение площади поверхности к объему. Наименьшее такое отношение имеет сфера, поэтому активной зоне реактора придают форму, близкую к оптимальной (шар или короткий цилиндр). Также увеличение плотности ядерного топлива сближает ядра и уменьшает средний путь нейтрона до столкновения, что снижает вероятность его утечки и, как следствие, уменьшает критическую массу.

Ответ: Да, критическую массу урана в реакторах можно уменьшить. Основные способы для этого: использование замедлителей нейтронов (вода, графит), применение отражателей нейтронов, повышение степени обогащения урана по изотопу U-235 и оптимизация геометрической формы и плотности активной зоны.