Номер 2, страница 338 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Почему реакцию деления в ядерном реакторе называют управляемой? В каком случае она может стать неуправляемой?

Почему реакцию деления в ядерном реакторе называют управляемой?

Реакцию деления в ядерном реакторе называют управляемой, потому что существует возможность точно регулировать ее скорость и, соответственно, выделяемую мощность. Основой работы реактора является цепная реакция деления тяжелых ядер (чаще всего урана-235). При делении одного ядра урана под действием нейтрона высвобождается энергия и несколько новых нейтронов (в среднем 2-3), которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер.

Для описания развития реакции используется коэффициент размножения нейтронов $k$. Он показывает отношение числа нейтронов в последующем поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении.

• Если $k < 1$, число нейтронов со временем уменьшается, и реакция затухает.
• Если $k > 1$, число нейтронов растет лавинообразно, реакция ускоряется, что может привести к тепловому взрыву. Это режим работы ядерной бомбы.
• Если $k = 1$, число нейтронов остается постоянным, и реакция идет со стабильной скоростью. Это и есть управляемый режим работы ядерного реактора.

Чтобы поддерживать $k=1$, в ядерных реакторах применяют систему управления и защиты. Ее основной элемент — управляющие (или поглощающие) стержни, изготовленные из материалов, которые активно поглощают нейтроны (например, бор, кадмий). Вводя стержни в активную зону реактора, уменьшают количество свободных нейтронов и замедляют реакцию ($k$ становится меньше 1). Выводя стержни, реакцию ускоряют ($k$ становится больше 1). Таким образом, манипулируя положением стержней, операторы могут поддерживать коэффициент размножения на уровне, очень близком к единице, обеспечивая стабильную и безопасную работу реактора.

Ответ: Реакцию деления в ядерном реакторе называют управляемой, потому что ее скорость можно точно контролировать с помощью специальных систем (например, поглощающих стержней), которые позволяют поддерживать коэффициент размножения нейтронов на постоянном уровне $k=1$, обеспечивая стабильное выделение энергии.

В каком случае она может стать неуправляемой?

Реакция деления может стать неуправляемой, если коэффициент размножения нейтронов $k$ станет устойчиво больше единицы ($k > 1$) и системы управления не смогут вернуть его к значению $k=1$. В этом случае мощность реактора начинает экспоненциально расти, что приводит к быстрому перегреву, плавлению и разрушению активной зоны (ядерного топлива) и конструкций реактора.

Такая аварийная ситуация может возникнуть по нескольким причинам:

1. Отказ системы управления и защиты. Например, если управляющие стержни, поглощающие нейтроны, по какой-либо причине не могут быть введены в активную зону для прекращения реакции (например, застревают).
2. Отказ системы охлаждения. Потеря теплоносителя (воды) или прекращение его циркуляции приводит к резкому росту температуры в активной зоне. Это может вызвать паровой взрыв и разрушение реактора. В некоторых типах реакторов (например, РБМК, который был на Чернобыльской АЭС) вскипание воды-замедлителя приводит к дополнительному росту коэффициента размножения $k$, что создает положительную обратную связь и катастрофически ускоряет реакцию.
3. Человеческий фактор. Грубые нарушения правил эксплуатации и проведение экспериментов, не предусмотренных регламентом, могут вывести реактор в опасный режим, при котором штатные системы защиты оказываются неэффективными.

Переход реакции в неуправляемый режим — это тяжелейшая ядерная авария, последствием которой является тепловой взрыв (не ядерный), разрушение реактора и выброс огромного количества радиоактивных веществ в окружающую среду.

Ответ: Реакция может стать неуправляемой в случае отказа систем управления или охлаждения, а также из-за ошибочных действий персонала, что приводит к неконтролируемому росту коэффициента размножения нейтронов ($k>1$) и экспоненциальному увеличению мощности реактора.