Номер 5, страница 276 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 187.

5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 187.

Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс деления тяжелых атомных ядер, в ходе которого продукты одной реакции (нейтроны) вызывают последующие реакции такого же типа. Механизм цепной реакции деления, например, ядер урана-235 ($^{235}_{92}U$), можно описать следующими этапами:

1. Инициирование. Процесс начинается, когда свободный нейтрон ($n$) попадает в ядро делящегося вещества, например, урана-235. Ядро поглощает нейтрон, превращаясь в возбужденное ядро урана-236 ($^{236}_{92}U$). Это ядро крайне нестабильно.

   Пример реакции: $n + ^{235}_{92}U \rightarrow ^{236}_{92}U^*$

2. Деление ядра. Нестабильное ядро $^{236}_{92}U$ практически мгновенно (за время порядка $10^{-14}$ с) распадается на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления. При этом также высвобождается огромное количество энергии (около 200 МэВ на одно ядро) и, что ключевое для цепной реакции, от двух до трех новых нейтронов.

   Пример реакции: $^{236}_{92}U^* \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3n + E$

3. Развитие цепи. Нейтроны, родившиеся в результате деления, могут, в свою очередь, попасть в другие ядра урана-235, вызывая их деление. Каждое новое деление порождает новые нейтроны и новую порцию энергии. Процесс начинает лавинообразно нарастать.

Для количественного описания цепной реакции используется коэффициент размножения нейтронов ($k$) — отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем.

• Если $k < 1$, реакция является затухающей (подкритической). Число делений со временем уменьшается, и реакция прекращается.
• Если $k = 1$, реакция является стационарной (критической). Число делений в единицу времени постоянно. Этот режим используется в ядерных реакторах для контролируемого получения энергии.
• Если $k > 1$, реакция является развивающейся (надкритической). Число делений лавинообразно нарастает, что приводит к выделению огромного количества энергии за короткое время (ядерный взрыв).

Таким образом, механизм цепной реакции основан на том, что каждое событие деления ядра порождает частицы (нейтроны), способные вызвать новые аналогичные события, обеспечивая самоподдержание и развитие процесса. Визуально (как, вероятно, показано на рисунке 187) это выглядит как разветвляющаяся цепь: один нейтрон вызывает деление, которое порождает 2-3 новых нейтрона, каждый из которых может вызвать новое деление, и так далее.

Ответ: Цепная реакция — это процесс, в котором деление одного атомного ядра, инициированное нейтроном, приводит к испусканию новых нейтронов, которые, в свою очередь, вызывают деление других ядер. Это создает самоподдерживающуюся или лавинообразно нарастающую последовательность делений, сопровождающуюся выделением огромной энергии.

6. Что называют критической массой урана?

Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества (например, урана-235 или плутония-239), при которой в нем может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Понятие критической массы связано с балансом между рождением и потерей нейтронов в объеме вещества. Нейтроны, образующиеся при делении ядер, могут либо вызвать новое деление, либо быть захваченными ядром без деления, либо покинуть пределы образца. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы в среднем хотя бы один нейтрон из каждого акта деления вызывал следующее деление (то есть коэффициент размножения нейтронов $k$ был не меньше единицы).

Количество производимых нейтронов пропорционально объему вещества (а значит, и его массе), в то время как количество нейтронов, покидающих образец, пропорционально площади его поверхности. С увеличением размеров образца его объем растет быстрее ($V \sim r^3$), чем площадь поверхности ($S \sim r^2$). Следовательно, в большом образце вероятность того, что нейтрон вылетит наружу, не успев прореагировать с ядром, уменьшается.

Критическая масса достигается тогда, когда число рождающихся нейтронов становится равным числу теряемых нейтронов (за счет вылета и захвата без деления), то есть коэффициент размножения $k=1$. Если масса меньше критической (подкритическая масса), большинство нейтронов будет покидать вещество, и цепная реакция затухнет. Если масса больше критической (надкритическая масса), цепная реакция будет лавинообразно нарастать.

Величина критической массы зависит от множества факторов:

• Изотопный состав: для урана-235 она одна, для плутония-239 — другая.
• Плотность вещества: чем выше плотность, тем меньше критическая масса.
• Геометрическая форма: минимальной критической массой обладает образец сферической формы, так как сфера имеет наименьшую площадь поверхности при заданном объеме.
• Наличие отражателя нейтронов (рефлектора): оболочка из материала, хорошо отражающего нейтроны (например, бериллий), возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в активную зону, что существенно снижает критическую массу.

Например, для шара из чистого металлического урана-235 ($^{235}U$) критическая масса составляет около 52 кг.

Ответ: Критическая масса урана — это минимальная масса урана (конкретного изотопа, например, $^{235}U$), достаточная для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления.

7. Возможно ли [осуществить цепную реакцию в природном уране?]

Ответ на этот вопрос зависит от условий, в которых находится природный уран. В простом куске металлического природного урана самоподдерживающаяся цепная реакция невозможна. Однако в специально сконструированной установке — ядерном реакторе — это возможно.

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: примерно 99.3% составляет уран-238 ($^{238}U$) и лишь около 0.7% — уран-235 ($^{235}U$).

1. Ядра урана-235 способны делиться под действием нейтронов любой энергии, но особенно эффективно они делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов.
2. Ядра урана-238 в основном поглощают нейтроны, не делясь. Этот процесс (радиационный захват) особенно вероятен для нейтронов промежуточных энергий. Деление $^{238}U$ возможно, но только под действием очень быстрых нейтронов.

В сплошном блоке природного урана нейтроны, рождающиеся при спонтанном или вынужденном делении немногих ядер $^{235}U$, имеют высокую энергию. Замедляясь, они с очень высокой вероятностью поглощаются многочисленными ядрами $^{238}U$ и не успевают вызвать деление других ядер $^{235}U$. В результате коэффициент размножения нейтронов $k$ оказывается значительно меньше единицы, и цепная реакция затухает.

Чтобы осуществить цепную реакцию в природном уране, необходимо использовать замедлитель нейтронов — вещество, состоящее из легких ядер (например, тяжелая вода D₂O или чистый графит C), которое эффективно замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, при этом слабо их поглощая. В ядерном реакторе урановые блоки размещают внутри замедлителя. Быстрые нейтроны, вылетевшие из уранового блока, попадают в замедлитель, теряют в нем свою энергию и, став медленными, возвращаются в уран, где с высокой вероятностью вызывают деление ядер $^{235}U$. Это позволяет достичь условия $k \ge 1$ и поддерживать цепную реакцию.

Ответ: В сплошном куске природного урана цепная реакция невозможна из-за поглощения нейтронов преобладающим изотопом ураном-238. Однако цепную реакцию в природном уране можно осуществить в ядерном реакторе, используя замедлитель нейтронов (например, тяжелую воду или графит), который повышает эффективность деления урана-235.