Номер 3, страница 187, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 107. Атомная энергетика. Вопросы и задания - номер 3, страница 187.

Условие.

3. Зачем в ядерном реакторе используют замедлители и поглотители нейтронов?

Решение.

Решение

В ядерном реакторе происходит управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер, чаще всего урана-235 ($_{92}^{235}U$). При делении одного ядра урана высвобождается 2-3 нейтрона и большое количество энергии. Эти новые нейтроны могут вызвать деление других ядер, поддерживая цепную реакцию. Для стабильной и безопасной работы реактора необходимо контролировать скорость этой реакции. Эту задачу выполняют замедлители и поглотители нейтронов.

Замедлители нейтронов

Нейтроны, образующиеся в результате деления ядер урана, являются «быстрыми», их энергия составляет порядка нескольких мегаэлектронвольт (МэВ). Однако для того, чтобы с высокой вероятностью вызвать деление следующего ядра урана-235, нейтроны должны быть «медленными» или «тепловыми», с энергией около $0.025$ эВ. Быстрые нейтроны гораздо реже вызывают деление $_{92}^{235}U$.

Замедлители — это вещества, которые используются для уменьшения кинетической энергии быстрых нейтронов до тепловых энергий. Замедление происходит в результате упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. При каждом столкновении нейтрон передает часть своей энергии ядру. Наиболее эффективно энергия передается при столкновении с частицами близкой массы, поэтому в качестве замедлителей используют вещества с легкими ядрами, которые при этом слабо поглощают сами нейтроны. Типичными замедлителями являются обычная вода ($H_2O$), тяжелая вода ($D_2O$) и графит ($\text{C}$).

Ответ: Замедлители нейтронов нужны для того, чтобы снизить энергию быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер, до тепловых энергий. Это необходимо, так как медленные (тепловые) нейтроны имеют гораздо большую вероятность вызвать деление ядер урана-235, что является необходимым условием для поддержания цепной реакции в большинстве типов реакторов.

Поглотители нейтронов

Для управления цепной реакцией необходимо поддерживать ее на стационарном уровне. Это означает, что коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$ должен быть равен единице. Этот коэффициент показывает отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении. Если $k > 1$, реакция становится неуправляемой и ускоряется лавинообразно, что может привести к перегреву и разрушению реактора. Если $k < 1$, реакция затухает и прекращается.

Поглотители нейтронов служат для регулирования количества нейтронов в активной зоне реактора и поддержания $k \approx 1$. Они представляют собой стержни, изготовленные из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны, не делясь при этом. К таким материалам относятся, например, бор ($\text{B}$) и кадмий ($Cd$). Эти стержни можно вводить в активную зону реактора или выводить из нее. Когда стержни вводятся в активную зону, они поглощают избыточные нейтроны, уменьшая коэффициент размножения и замедляя реакцию. При их извлечении количество нейтронов, участвующих в делении, увеличивается, и мощность реактора растет. В случае аварийной ситуации стержни полностью вводятся в активную зону, поглощая почти все нейтроны и немедленно останавливая цепную реакцию.

Ответ: Поглотители нейтронов используются для управления скоростью цепной реакции. Путем введения или извлечения стержней-поглотителей из активной зоны реактора регулируется количество свободных нейтронов, что позволяет поддерживать мощность реактора на заданном уровне (поддерживая коэффициент размножения нейтронов близким к единице) и обеспечивать его безопасную остановку.