Номер 5, страница 121 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

5. Что такое критическая масса ядерного горючего?

Решение

Критическая масса ядерного горючего — это наименьшая масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

В основе этого понятия лежит процесс деления атомных ядер. Когда ядро тяжелого элемента (например, урана-235 или плутония-239) поглощает нейтрон, оно может разделиться на два или более лёгких ядра (осколки деления). При этом высвобождается огромное количество энергии и, что самое важное, несколько новых нейтронов (в среднем от 2 до 3). Эти новые нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер, что приводит к цепной реакции.

Однако не все испускаемые нейтроны вызывают новые деления. Часть из них может быть поглощена ядрами, не вызывая деления (радиационный захват), а часть может просто вылететь за пределы образца делящегося вещества. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы в среднем хотя бы один нейтрон из каждого акта деления вызывал следующий акт деления.

Для количественной оценки процесса вводится коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$. Он равен отношению числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении. В зависимости от значения этого коэффициента, состояние системы может быть:

1. Подкритическое ($k < 1$): Число нейтронов со временем уменьшается, так как потерь нейтронов (захват без деления и вылет из системы) больше, чем их рождение в реакциях деления. Цепная реакция быстро затухает. Масса вещества в этом случае называется докритической.

2. Критическое ($k = 1$): Число нейтронов в системе остаётся постоянным. Рождение новых нейтронов в точности компенсирует их убыль. Цепная реакция становится самоподдерживающейся и протекает со стационарной скоростью. Масса вещества, при которой достигается это состояние, и называется критической. Именно этот режим используется в ядерных реакторах для контролируемого получения энергии.

3. Надкритическое ($k > 1$): Число нейтронов лавинообразно нарастает. Каждое последующее поколение нейтронов больше предыдущего. Скорость реакции экспоненциально растёт, что приводит к выделению огромного количества энергии за очень короткое время — к ядерному взрыву. Масса вещества в этом случае называется надкритической.

Величина критической массы зависит от множества факторов:

• Тип ядерного горючего: разные изотопы (например, уран-235, уран-233, плутоний-239) имеют разную вероятность деления и, соответственно, разную критическую массу.
• Плотность вещества: чем выше плотность, тем меньше расстояние между ядрами и тем ниже вероятность того, что нейтрон покинет вещество, не вызвав деления. Поэтому с ростом плотности критическая масса уменьшается.
• Геометрическая форма: минимальной критической массой обладает шар, так как у него наименьшее отношение площади поверхности к объёму, что минимизирует утечку нейтронов через поверхность.
• Обогащение топлива: чем выше процентное содержание делящегося изотопа в материале, тем ниже критическая масса.
• Наличие отражателя нейтронов: если окружить делящееся вещество материалом, который отражает нейтроны (например, бериллием или тяжёлой водой), часть вылетающих нейтронов вернётся обратно, что позволит уменьшить критическую массу.

Например, для шара из чистого урана-235 критическая масса составляет около 49 кг, а для плутония-239 — около 11 кг. Использование отражателя нейтронов может снизить эти значения в несколько раз.

Ответ: Критическая масса — это минимальное количество делящегося вещества (ядерного горючего), необходимое для начала и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k = 1$).