Цепные ядерные реакции

Слайд 1. Цепные ядерные реакции

Физика, 11 класс: как микромир высвобождает гигантскую энергию

Слайд 2. Что такое цепная реакция?

Цепная ядерная реакция — это процесс, при котором частицы (нейтроны), порожденные в результате деления ядер, вызывают деление других таких же ядер.

Представьте это как эффект домино: одно упавшее звено толкает следующее, и процесс распространяется сам собой. В случае с ядрами урана-235, при каждом акте деления вылетает 2 или 3 новых нейтрона, которые могут продолжить «цепь».

Слайд 3. Схема размножения нейтронов

Слайд 4. Условия протекания реакции

Наличие делящегося вещества: обычно это изотопы ${}^{235}U$ или ${}^{239}Pu$.

Достаточная масса: реакция не пойдет, если образец слишком мал (нейтроны просто улетят наружу).

Коэффициент размножения $k\ge 1$: число нейтронов в новом поколении должно быть не меньше, чем в предыдущем.

Чистота вещества: примеси могут поглощать нейтроны, «туша» реакцию.

Замедление нейтронов: медленные («тепловые») нейтроны эффективнее вызывают деление ядер урана-235.

Слайд 5. Коэффициент размножения нейтронов $k$

При $k<1$ реакция быстро прекращается. При $k=1$ количество делений в секунду постоянно — это режим работы атомной электростанции. При $k>1$ число делений растет экспоненциально, что приводит к ядерному взрыву.

Слайд 6. Критическая масса

Критическая масса — это минимальная масса делящегося вещества, при которой в нем может протекать самоподдерживающаяся цепная реакция.

Если масса меньше критической, слишком много нейтронов покидает объем вещества через поверхность, не успев столкнуться с ядрами. Для чистого шара урана-235 критическая масса составляет около 50 кг (шар диаметром 17 см).

Слайд 7. Управление реакцией

Используются регулирующие стержни из бора или кадмия. Эти материалы активно поглощают нейтроны, снижая коэффициент $k$.

Стержни извлекаются из активной зоны. Меньше поглотителей — больше нейтронов участвует в делении ядер.

Слайд 8. Сравнение ядерного топлива

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему в природном уране, который находится в земле, не происходит спонтанная цепная реакция?

Чем отличается физика процесса в атомной бомбе и в ядерном реакторе?

Зачем в реакторах используют воду или графит в качестве «замедлителей»?

Может ли ядерный реактор взорваться точно так же, как атомная бомба?

Слайд 10. Основные выводы

Цепная реакция поддерживается за счет новых нейтронов, вылетающих при делении.

Для стабильной работы реактора необходимо поддерживать коэффициент $k=1$.

Критическая масса зависит от вида топлива, его формы и наличия отражателей.

Человечество научилось управлять этим процессом для получения электроэнергии, используя поглотители нейтронов.