Ответьте на вопросы, страница 229 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему $^{238}_{92}U$ в чистом виде не может быть использован как ядерное топливо?

2. Почему при коэффициенте размножения меньшем, чем 1, цепная реакция прекращается?

3. Почему замедлители и отражатели позволяют уменьшить критическую массу ядерного топлива?

1. Почему $_{92}^{238}U$ в чистом виде не может быть использован как ядерное топливо?

Изотоп урана-238 ($_{92}^{238}U$) не может быть использован в чистом виде в качестве ядерного топлива, поскольку он не способен поддерживать самоподдерживающуюся цепную реакцию деления. Для возникновения цепной реакции необходимо, чтобы нейтроны, испускаемые при делении одного ядра, вызывали деление других ядер.

Проблема с $_{92}^{238}U$ заключается в следующем:
1. Ядра $_{92}^{238}U$ эффективно делятся только под действием «быстрых» нейтронов, обладающих очень высокой энергией (более 1 МэВ).
2. Нейтроны, которые рождаются в результате деления, действительно являются быстрыми, но при взаимодействии с другими ядрами урана-238 они с гораздо большей вероятностью не вызывают деление, а либо упруго или неупруго рассеиваются (теряя энергию), либо поглощаются ядром без деления (этот процесс называется радиационным захватом).
3. В результате энергия нейтронов быстро падает ниже порога, необходимого для деления $_{92}^{238}U$, и они уже не могут вызвать новое деление.

Таким образом, в чистом уране-238 на каждый акт деления приходится менее одного нового акта деления, вызванного дочерними нейтронами. Коэффициент размножения нейтронов оказывается меньше единицы, и цепная реакция затухает. В отличие от него, изотоп $_{92}^{235}U$ эффективно делится медленными (тепловыми) нейтронами, что позволяет создать и поддерживать цепную реакцию в ядерных реакторах.

Ответ: В чистом уране-238 невозможно поддержать самоподдерживающуюся цепную реакцию, так как он делится только быстрыми нейтронами, а вероятность захвата нейтрона ядром без деления или потери им энергии при столкновениях слишком велика, из-за чего коэффициент размножения нейтронов становится меньше единицы.

2. Почему при коэффициенте размножения меньше, чем 1, цепная реакция прекращается?

Коэффициент размножения нейтронов ($k$) — это физическая величина, которая показывает отношение числа нейтронов в последующем поколении цепной реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении. Он определяет, как будет развиваться реакция во времени.

Если коэффициент размножения $k < 1$, это означает, что в среднем каждое деление ядра приводит к появлению менее одного нейтрона, который вызовет следующее деление. Например, если $k=0.9$, то поколение из 100 нейтронов вызовет 100 делений, которые породят только 90 новых нейтронов для следующего поколения. Эти 90 нейтронов, в свою очередь, создадут лишь $90 \times 0.9 = 81$ нейтрон, затем $81 \times 0.9 \approx 73$ и так далее.

Количество нейтронов (а следовательно, и количество делений в единицу времени, то есть мощность реакции) будет уменьшаться в геометрической прогрессии с каждым поколением. Если $N_0$ — начальное число нейтронов, то после $n$ поколений их число станет $N_n = N_0 \cdot k^n$. Поскольку $k < 1$, величина $k^n$ стремится к нулю при увеличении $n$. Процесс становится затухающим, и цепная реакция быстро прекращается.

Ответ: При коэффициенте размножения меньше единицы число нейтронов, участвующих в реакции, убывает с каждым последующим поколением, что приводит к экспоненциальному затуханию реакции и ее прекращению.

3. Почему замедлители и отражатели позволяют уменьшить критическую массу ядерного топлива?

Критическая масса — это минимальная масса делящегося вещества, при которой возможно протекание самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (то есть когда коэффициент размножения нейтронов $k \ge 1$). Замедлители и отражатели позволяют достичь этого состояния с меньшим количеством топлива за счет улучшения так называемой «нейтронной экономики».

Роль замедлителя:
Ядерное топливо, такое как уран-235 ($_{92}^{235}U$), имеет гораздо большую вероятность (эффективное сечение) деления при взаимодействии с медленными («тепловыми») нейтронами, чем с быстрыми, которые образуются в момент деления. Замедлитель (например, вода, тяжелая вода, графит) — это вещество, которое эффективно замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, не поглощая их в значительном количестве. Замедленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление, чем утекают из активной зоны или поглощаются без деления. Это резко повышает эффективность использования каждого нейтрона.

Роль отражателя:
В любой системе конечного размера часть нейтронов, особенно с поверхности, покидает активную зону, не успев прореагировать. Эта утечка является основной причиной потерь нейтронов. Отражатель — это слой материала (например, бериллий, графит), окружающий активную зону. Он не поглощает нейтроны, а упруго рассеивает их, возвращая значительную часть «убегающих» нейтронов обратно в активную зону. Это снижает потери нейтронов за счет утечки.

Таким образом, и замедлители, и отражатели способствуют тому, чтобы большее число нейтронов, рожденных в реакции, вызывало новые деления, а не терялось. Это позволяет достичь коэффициента размножения $k = 1$ при меньшем объеме и, следовательно, меньшей массе делящегося вещества.

Ответ: Замедлители увеличивают вероятность деления ядер топлива медленными нейтронами, а отражатели уменьшают утечку нейтронов из активной зоны. Оба этих фактора улучшают баланс нейтронов в системе, что позволяет достичь самоподдерживающейся реакции с меньшим количеством топлива, то есть уменьшить его критическую массу.