Ответьте на вопросы, страница 167 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему критическая масса может быть различной для одного и того же ядерного топлива?

2. Почему в природных залежах урана не происходят цепные реакции?

1. Почему критическая масса может быть различной для одного и того же ядерного топлива?

Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Эта величина не является фиксированной константой для конкретного ядерного топлива (например, для урана-235), а зависит от ряда внешних и внутренних факторов, которые влияют на баланс между числом нейтронов, рождающихся в реакциях деления, и числом нейтронов, теряемых (покидающих активную зону или поглощаемых без деления).

Основные факторы, от которых зависит критическая масса:

Геометрическая форма: Наименьшую критическую массу имеет вещество в форме шара, поскольку у шара минимальное отношение площади поверхности к объему. Через поверхность нейтроны могут покидать делящееся вещество. Чем больше поверхность при том же объеме, тем больше утечка нейтронов и тем больше требуется масса для поддержания реакции (коэффициент размножения нейтронов $k \ge 1$). Для вещества, имеющего форму тонкого листа, цепная реакция может не начаться даже при очень большой массе.

Плотность вещества: С увеличением плотности делящегося вещества его атомы располагаются ближе друг к другу. Это уменьшает среднее расстояние, которое нейтрон пролетает до столкновения с ядром, и, следовательно, снижает вероятность того, что он покинет вещество, не вызвав деления. Поэтому более плотное вещество имеет меньшую критическую массу.

Наличие отражателя нейтронов: Если делящееся вещество окружить оболочкой из материала, который хорошо отражает, но слабо поглощает нейтроны (например, бериллий, графит, вольфрам), то часть нейтронов, которые могли бы покинуть активную зону, вернётся обратно. Это уменьшает утечку нейтронов и, как следствие, снижает критическую массу.

Состав топлива (наличие примесей и степень обогащения): Природное топливо, например уран, состоит из смеси изотопов, не все из которых способны к цепной реакции. Наличие примесей или изотопов, которые активно поглощают нейтроны, не производя деления (например, уран-238), мешает развитию цепной реакции. Чем выше концентрация (степень обогащения) делящегося изотопа (например, урана-235), тем ниже будет критическая масса.

Таким образом, критическая масса — это не свойство самого вещества, а свойство системы, включающей ядерное топливо и его окружение.

Ответ: Критическая масса для одного и того же ядерного топлива может быть различной, потому что она зависит от его формы, плотности, чистоты (степени обогащения) и наличия окружающих материалов, отражающих нейтроны.

2. Почему в природных залежах урана не происходят цепные реакции?

Цепные ядерные реакции не происходят в современных природных залежах урана по двум основным причинам.

Во-первых, из-за низкой концентрации делящегося изотопа урана-235. Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($^{238}\text{U}$), которого около 99,3%, и урана-235 ($^{235}\text{U}$), которого всего около 0,7%. Цепную реакцию деления тепловыми нейтронами способен поддерживать именно изотоп $^{235}\text{U}$. Такое низкое его содержание недостаточно для запуска самоподдерживающейся реакции в естественных условиях. Большинство нейтронов, образующихся при редких спонтанных делениях, либо поглощаются более многочисленными ядрами $^{238}\text{U}$ (без деления), либо покидают пределы урановой руды. Для работы ядерных реакторов уран специально обогащают, увеличивая долю $^{235}\text{U}$ до 3–5% и выше.

Во-вторых, из-за отсутствия эффективного замедлителя нейтронов. Нейтроны, рождающиеся в процессе деления, обладают высокой энергией (это «быстрые» нейтроны). Вероятность того, что такой нейтрон вызовет деление ядра $^{235}\text{U}$, невелика. Чтобы реакция шла эффективно, нейтроны нужно замедлить до «тепловых» скоростей. Вещество, выполняющее эту функцию, называется замедлителем (например, вода, тяжёлая вода или графит). В природных залежах урановой руды, как правило, отсутствует нужное количество замедлителя, который был бы равномерно перемешан с рудой в правильной пропорции.

Примечательно, что в далеком прошлом (около 2 миллиардов лет назад) такие реакции все же происходили. В то время концентрация $^{235}\text{U}$ в природном уране была выше (около 3,7%) из-за его более короткого периода полураспада по сравнению с $^{238}\text{U}$. В месторождении Окло (Габон, Африка) сложились уникальные условия: богатая урановая руда была пропитана грунтовыми водами, которые выступили в роли замедлителя. Это привело к возникновению естественного ядерного реактора. Однако сегодня концентрация $^{235}\text{U}$ слишком мала для повторения этого феномена.

Ответ: В природных залежах урана не происходят цепные реакции из-за слишком низкой концентрации делящегося изотопа урана-235 (около 0,7% в настоящее время) и отсутствия эффективного замедлителя нейтронов в необходимой конфигурации и количестве.