Номер 74.14, страница 252 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 74. Ядерные реакции. Глава 10. Квантовые явления - номер 74.14, страница 252.

74.14 [1686] Почему природный уран не является атомным горючим, а его хранение не связано с опасностью взрыва?

Природный уран не является атомным горючим и его хранение безопасно с точки зрения ядерного взрыва по нескольким ключевым причинам, связанным с его изотопным составом и физикой цепной ядерной реакции.

Во-первых, важен изотопный состав природного урана. Он состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($^{238}U$) и урана-235 ($^{235}U$). Подавляющая часть, около 99,27%, приходится на уран-238. Этот изотоп не способен к делению под действием медленных (тепловых) нейтронов, которые наиболее эффективны для поддержания цепной реакции. Вместо деления он в основном поглощает нейтроны, превращаясь в конечном итоге в плутоний-239 ($^{239}Pu$). Доля же урана-235, который как раз и является делящимся материалом, способным поддерживать цепную реакцию, составляет всего около 0,72%. Именно его ядро при поглощении теплового нейтрона распадается с выделением энергии и испусканием нескольких новых нейтронов.

Во-вторых, для того чтобы атомное горючее работало, необходима самоподдерживающаяся цепная реакция. Это означает, что хотя бы один из нейтронов, испущенных при делении одного ядра, должен вызвать деление следующего. В природном уране это условие не выполняется из-за двух факторов. Из-за крайне малой концентрации делящегося изотопа $^{235}U$ вероятность того, что нейтрон попадет в другое ядро $^{235}U$, ничтожно мала. Гораздо более вероятно, что нейтрон будет поглощен ядром преобладающего урана-238, что прервет цепную реакцию. Кроме того, нейтроны, рождающиеся при делении, являются быстрыми, а для эффективного деления ядер $^{235}U$ их нужно замедлить. В куске природного урана нет вещества-замедлителя (как вода или графит в реакторах), поэтому быстрые нейтроны либо поглощаются ураном-238, либо вылетают за пределы образца.

Чтобы природный уран стал атомным горючим, его необходимо "обогатить" — искусственно увеличить в нем долю изотопа $^{235}U$. Для большинства атомных электростанций уран обогащают до 3-5%. Для создания ядерного оружия требуется высокообогащенный уран с долей $^{235}U$ свыше 80-90%.

Соответственно, хранение природного урана не связано с опасностью взрыва. Ядерный взрыв — это неконтролируемая цепная реакция, которая, как показано выше, в природном уране невозможна. Понятие "критическая масса" (минимальное количество делящегося вещества для начала цепной реакции) для природного урана фактически бесконечно. Поэтому даже очень большие количества природного урана не могут взорваться. Его хранение связано с радиационной опасностью и химической токсичностью, но не с угрозой ядерного взрыва.

Ответ: Природный уран не является атомным горючим и не представляет опасности взрыва, потому что он состоит на 99,3% из изотопа уран-238, который не поддерживает цепную реакцию деления, а поглощает нейтроны. Доля делящегося изотопа уран-235 составляет всего 0,7%, что недостаточно для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции, необходимой как для работы реактора, так и для ядерного взрыва. Для этого требуется процесс обогащения, то есть искусственного увеличения концентрации урана-235.