Номер 837, страница 123 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Состав атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи. Деление ядер урана. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер - номер 837, страница 123.

837. С какой целью в атомные реакторы помещают графит; тяжёлую воду?

Решение

Графит и тяжёлая вода (оксид дейтерия, $D_2O$) в атомных реакторах выполняют функцию замедлителя нейтронов.

Цепная ядерная реакция деления, например, ядер урана-235 ($^{235}U$), поддерживается нейтронами. При делении одного ядра урана-235 образуются несколько новых нейтронов (в среднем 2-3). Эти нейтроны обладают очень большой кинетической энергией, поэтому их называют быстрыми нейтронами.

Однако вероятность того, что быстрый нейтрон вызовет деление другого ядра урана-235, довольно мала. Цепная реакция гораздо эффективнее протекает на медленных, или тепловых, нейтронах (нейтронах, находящихся в тепловом равновесии со средой).

Для того чтобы замедлить быстрые нейтроны до тепловых скоростей, их пропускают через вещество-замедлитель. В процессе упругих столкновений с ядрами атомов замедлителя нейтроны теряют свою энергию. Наиболее эффективная потеря энергии происходит при столкновении с частицами, масса которых близка к массе самого нейтрона.

Графит состоит из атомов углерода-12 ($^{12}C$), ядро которого примерно в 12 раз тяжелее нейтрона. Это достаточно лёгкое ядро, поэтому графит является хорошим замедлителем.

Тяжёлая вода состоит из молекул, где водород заменён его тяжёлым изотопом – дейтерием ($D$, или $^{2}H$). Ядро дейтерия (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона, и его масса всего в два раза превышает массу нейтрона, что делает его очень эффективным замедлителем. Важное преимущество тяжёлой воды перед обычной (лёгкой) водой заключается в том, что дейтерий очень слабо поглощает нейтроны. Обычная вода, содержащая протий ($^{1}H$), тоже хорошо замедляет нейтроны, но при этом заметно их поглощает, что требует использования более обогащённого урана в качестве топлива.

Таким образом, и графит, и тяжёлая вода помещаются в реакторы для замедления быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер, до тепловых энергий, что необходимо для поддержания и управления цепной ядерной реакцией.

Ответ: Графит и тяжёлую воду в атомных реакторах используют в качестве замедлителя нейтронов. Это необходимо для того, чтобы снизить энергию быстрых нейтронов, образующихся в результате ядерной реакции, до тепловых значений. Медленные (тепловые) нейтроны с гораздо большей вероятностью вызывают деление ядер урана-235, что позволяет поддерживать управляемую цепную реакцию.