Номер 1, страница 232 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

1. Почему цепная ядерная реакция не происходит в природных условиях?

1. Цепная ядерная реакция не происходит в современных природных условиях из-за отсутствия необходимого набора факторов, которые должны выполняться одновременно. Для самоподдерживающейся цепной реакции деления необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов $k$ (отношение числа нейтронов нового поколения к числу нейтронов предыдущего поколения) был равен или больше единицы ($k \ge 1$). В природе это условие не достигается по нескольким причинам.

Во-первых, низкая концентрация делящегося изотопа. Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($^{238}\text{U}$) — примерно 99,27% и урана-235 ($^{235}\text{U}$) — всего около 0,72%. Эффективную цепную реакцию на медленных (тепловых) нейтронах способен поддерживать только изотоп $^{235}\text{U}$. Его содержание в природном уране слишком мало. Для работы атомных электростанций уран обогащают, повышая концентрацию $^{235}\text{U}$ до 3–5%.

Во-вторых, отсутствие критической массы. Для начала цепной реакции необходимо, чтобы масса и объем делящегося вещества превысили критические значения. Это нужно для того, чтобы нейтроны, рождающиеся при делении, с большей вероятностью вызывали новые деления, а не покидали вещество. В природе урановые руды, как правило, рассеяны в породе и не образуют единых, плотных скоплений достаточной массы.

В-третьих, поглощение нейтронов. Нейтроны, образующиеся при делении, имеют высокую энергию (это быстрые нейтроны). Чтобы эффективно вызывать деление $^{235}\text{U}$, их нужно замедлить. Роль замедлителя в искусственных реакторах выполняют вода, тяжелая вода или графит. В природе замедлителем может выступать вода, однако более распространенный изотоп $^{238}\text{U}$ активно поглощает нейтроны, особенно промежуточных энергий, не участвуя в цепной реакции деления. Кроме того, в руде всегда есть примеси (другие химические элементы), которые также являются "нейтронными ядами", то есть эффективно поглощают нейтроны, обрывая цепь реакции.

Стоит отметить, что в далеком прошлом (около 2 миллиардов лет назад) на Земле существовал природный ядерный реактор в Окло (Габон). В то время концентрация $^{235}\text{U}$ в природном уране была выше (около 3,7%), так как он распадается быстрее, чем $^{238}\text{U}$. В месторождении Окло сложились уникальные условия: богатая урановая руда, достаточная масса и наличие грунтовых вод в качестве замедлителя, что позволило запуститься и работать естественной цепной реакции в течение сотен тысяч лет. Этот случай является исключением, которое подтверждает правило о необходимости сочетания всех вышеперечисленных факторов.

Ответ: Цепная ядерная реакция не происходит в природных условиях из-за того, что для ее поддержания требуется одновременное выполнение нескольких строгих условий: высокая концентрация делящегося изотопа (например, $^{235}\text{U}$), наличие достаточной (критической) массы вещества, а также отсутствие большого количества примесей и веществ, поглощающих нейтроны. В природе эти условия в совокупности не встречаются.