Номер 6, страница 276 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

6. Что называют критической массой урана?

Критическая масса урана — это наименьшая масса делящегося вещества (в данном случае, изотопа урана, способного к цепной реакции, например, урана-235), при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Чтобы понять это определение, рассмотрим процесс цепной реакции. При делении одного ядра урана-235 под действием нейтрона освобождается не только огромное количество энергии, но и несколько (в среднем 2-3) новых нейтронов. Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер урана. Так возникает цепная реакция.

Однако не все нейтроны, рождённые в реакции, вызывают новые деления. Часть из них может:

• Вылететь за пределы образца урана.
• Быть поглощённой ядрами примесей или ядрами урана-238, которые не делятся под действием быстрых нейтронов так же эффективно.

Соотношение между числом образующихся нейтронов и числом теряемых нейтронов определяет, будет ли реакция продолжаться. Это соотношение описывается коэффициентом размножения нейтронов $k$. Этот коэффициент равен отношению числа нейтронов последующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения в объеме делящегося вещества.

• Если масса урана меньше критической (подкритическое состояние, $k < 1$), то большинство нейтронов улетает из образца, не успев прореагировать с ядрами. Цепная реакция быстро затухает.
• Если масса урана равна критической (критическое состояние, $k = 1$), то число нейтронов, вызывающих деление, остается постоянным во времени. В системе устанавливается стабильная, самоподдерживающаяся цепная реакция. На этом принципе работают ядерные реакторы в стационарном режиме.
• Если масса урана больше критической (сверхкритическое или надкритическое состояние, $k > 1$), то число нейтронов лавинообразно нарастает, что приводит к экспоненциальному росту числа делений и выделению огромной энергии за короткое время — к ядерному взрыву.

Величина критической массы зависит от нескольких факторов:

• Изотопный состав: Чем выше концентрация (обогащение) делящегося изотопа (уран-235), тем меньше критическая масса.
• Плотность вещества: С увеличением плотности атомы сближаются, и вероятность для нейтрона вызвать деление до того, как он покинет образец, возрастает. Поэтому более плотное вещество имеет меньшую критическую массу.
• Геометрическая форма: Наименьшую критическую массу имеет образец в форме шара, так как шар обладает минимальной площадью поверхности при заданном объеме, что уменьшает утечку нейтронов.
• Наличие отражателя нейтронов (рефлектора): Окружение урана материалом, который хорошо отражает нейтроны (например, бериллий или графит), возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в активную зону, что также снижает критическую массу.

Например, для шара из чистого урана-235 критическая масса составляет около 49 кг.

Ответ: Критической массой урана называют минимальную массу делящегося изотопа урана (например, урана-235), необходимую для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$).