Номер 9, страница 33, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Квантовая физика. Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика. Параграф 26. Ядерные реакции. Ядерная энергетика - номер 9, страница 33.

Условие.

9. Какова главная особенность цепной ядерной реакции? Какие условия необходимы для осуществления такой реакции?

Решение.

Главная особенность цепной ядерной реакции

Главная особенность цепной ядерной реакции заключается в её способности к самоподдержанию. Это означает, что частицы, которые вызывают реакцию (нейтроны), сами же и являются её продуктами, причем в количестве, превышающем исходное. Процесс происходит следующим образом: при попадании нейтрона в ядро тяжёлого элемента (например, урана-235, $ ^{235}_{92}U $), ядро делится на два или более лёгких осколка. Этот процесс, называемый делением ядра, сопровождается высвобождением огромного количества энергии и испусканием нескольких (обычно 2–3) новых нейтронов. Эти новорожденные нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер, что приводит к лавинообразному нарастанию числа актов деления. Таким образом, одна начальная реакция инициирует целую цепь последующих реакций.

Для количественной характеристики цепной реакции используется коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$. Он показывает отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении. Если $k > 1$, реакция становится неуправляемой и её скорость экспоненциально растёт (ядерный взрыв). Если $k < 1$, реакция затухает. Если $k = 1$, реакция протекает со стационарной скоростью, что используется в ядерных реакторах.

Ответ: Главная особенность цепной ядерной реакции — её самоподдерживающийся характер, при котором каждый акт деления ядра инициирует последующие акты деления благодаря испускаемым в процессе нейтронам.

Условия, необходимые для осуществления такой реакции

Для возникновения и поддержания цепной ядерной реакции необходимо соблюдение нескольких ключевых условий.

1. Наличие достаточного количества делящегося вещества. В качестве такого вещества могут выступать изотопы, способные к делению под действием нейтронов, например, уран-235 ($^{235}_{92}U$) или плутоний-239 ($^{239}_{94}Pu$).

2. Масса делящегося вещества должна превышать так называемую критическую массу. Критическая масса — это минимальная масса, при которой цепная реакция становится самоподдерживающейся (коэффициент размножения нейтронов $k \ge 1$). Если масса меньше критической, слишком много нейтронов покидает вещество, не успев вызвать деление других ядер, и реакция затухает. Величина критической массы зависит от свойств вещества, его плотности, чистоты и геометрической формы (наименьшая критическая масса у шара).

3. Наличие замедлителя нейтронов (для реакций на тепловых нейтронах). Нейтроны, образующиеся при делении, обладают большой энергией (быстрые нейтроны). Однако ядра урана-235 эффективнее делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов. Поэтому в ядерных реакторах используют специальные вещества-замедлители (например, графит, тяжёлая или обычная вода) для уменьшения скорости нейтронов.

4. Отсутствие значительного количества примесей, поглощающих нейтроны. Некоторые вещества (например, кадмий, бор) активно поглощают нейтроны, не вступая в реакцию деления. Их наличие может остановить цепную реакцию. В управляемых реакторах такие вещества, наоборот, используются в специальных стержнях для контроля мощности реакции.

Ответ: Необходимыми условиями для осуществления цепной ядерной реакции являются: наличие делящегося вещества (например, $^{235}_{92}U$), масса этого вещества, превышающая критическую, а для управляемой реакции — также наличие замедлителя нейтронов и системы управления (поглощающих стержней).