Номер 1, страница 336 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. От чего зависит коэффициент размножения нейтронов?

1. От чего зависит коэффициент размножения нейтронов?

Коэффициент размножения нейтронов $k$ — это физическая величина, характеризующая протекание цепной ядерной реакции. Он определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер на данном этапе реакции ($N_i$), к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе ($N_{i-1}$):

$k = \frac{N_i}{N_{i-1}}$

В зависимости от значения этого коэффициента различают три режима протекания реакции:

• Если $k < 1$, то число делений со временем уменьшается, и реакция затухает (подкритическое состояние).
• Если $k = 1$, то число делений постоянно, и реакция протекает стационарно (критическое состояние). Этот режим используется в ядерных реакторах для выработки энергии.
• Если $k > 1$, то число делений лавинообразно нарастает, что приводит к ядерному взрыву (надкритическое состояние).

Коэффициент размножения нейтронов зависит от множества факторов, которые определяют баланс между процессами рождения, поглощения и утечки нейтронов из активной зоны. Основные из них:

• Природа делящегося вещества. Разные изотопы (например, уран-235, уран-233, плутоний-239) при делении испускают разное среднее число вторичных нейтронов. Также важна степень обогащения ядерного топлива, то есть концентрация делящегося изотопа.
• Масса делящегося вещества. С увеличением массы растет объем, и вероятность того, что нейтрон вызовет деление прежде, чем покинет вещество, увеличивается. Существует понятие критической массы — минимальной массы, при которой $k = 1$.
• Геометрическая форма и размеры активной зоны. Наименьшую утечку нейтронов обеспечивает сферическая форма, так как сфера имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме. Для любой другой формы критическая масса будет больше.
• Наличие и свойства замедлителя нейтронов. Нейтроны, рождающиеся при делении, являются быстрыми. Однако вероятность деления ядер урана-235 значительно выше для медленных (тепловых) нейтронов. Замедлители (например, графит, тяжелая или обычная вода) замедляют нейтроны, увеличивая вероятность их захвата ядрами урана-235 и, следовательно, повышая коэффициент $k$.
• Наличие примесей, поглощающих нейтроны. Любые примеси в делящемся веществе, которые эффективно поглощают нейтроны, не вызывая деления (например, кадмий, бор), уменьшают число свободных нейтронов и снижают коэффициент $k$. Этот эффект используется в управляющих стержнях ядерных реакторов.
• Наличие отражателя нейтронов. Оболочка из материала, хорошо отражающего нейтроны (например, бериллий, графит), размещенная вокруг активной зоны, возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в зону реакции. Это уменьшает утечку нейтронов, снижает критическую массу и увеличивает коэффициент $k$.

Ответ: Коэффициент размножения нейтронов зависит от: природы и степени обогащения делящегося вещества, его массы, геометрической формы и размеров, а также от наличия и свойств замедлителя, поглотителя (примесей) и отражателя нейтронов.