Цепная реакция деления урана: критическая масса и ее влияние на процесс

Возможно ли протекание цепной реакции если масса урана меньше критической больше критической почему

Возможность протекания цепной реакции деления урана напрямую зависит от того‚ как масса урана соотносится с его критической массой;

Масса урана меньше критической⁚

Если масса урана меньше критической‚ цепная реакция самопроизвольно протекать не может.​ В этом случае большинство нейтронов‚ вылетевших при делении ядер‚ покидают образец урана‚ не встречая на своем пути достаточного количества новых ядер для поддержания цепной реакции.​ Коэффициент размножения нейтронов k меньше 1.​

Масса урана больше критической⁚

При массе урана больше критической‚ цепная реакция развивается лавинообразно.​ Количество делений ядер стремительно растет‚ так как нейтроны‚ рождающиеся в каждом акте деления‚ с высокой вероятностью вызывают деление новых ядер.​ Коэффициент размножения нейтронов k больше 1.​ Именно этот принцип лежит в основе действия ядерного оружия.​

Что такое цепная реакция деления урана?​

Цепная реакция деления урана – это процесс‚ при котором деление одного ядра урана под действием нейтрона приводит к целой лавине последующих делений.​

Вот как это происходит⁚

1. Нейтрон попадает в ядро урана-235‚ способного к делению.​
2. Ядро урана делится на два более легких ядра (осколки деления) и высвобождает два-три нейтрона.​
3. Эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана-235‚ вызывая их деление и высвобождение новых нейтронов.​
4. Процесс повторяется многократно‚ приводя к лавинообразному росту числа делящихся ядер и выделению огромной энергии.​

Важно отметить‚ что не каждый нейтрон‚ образовавшийся при делении‚ вызовет новое деление.​ Часть нейтронов поглощается ядрами без деления‚ а часть покидает пределы образца.​

Что такое критическая масса урана?

Критическая масса урана — это минимальное количество делящегося материала (в данном случае‚ изотопа урана-235)‚ необходимое для того‚ чтобы запустить самоподдерживающуюся цепную реакцию деления.​

Представьте себе костер.​ Чтобы он разгорелся‚ нужно определенное количество дров.​ Если дров будет слишком мало‚ костер погаснет.​ Так и с ураном⁚ если его масса меньше критической‚ цепная реакция быстро затухнет‚ так как слишком много нейтронов потеряется‚ не вызвав новых делений.

Критическая масса урана зависит от нескольких факторов‚ включая⁚

• Тип и обогащение урана (концентрация изотопа урана-235)
• Форма образца (шар‚ цилиндр и т.​д.)
• Наличие отражателя нейтронов
• Присутствие замедлителя нейтронов

Например‚ для чистого урана-235 в форме сферы критическая масса составляет около 50 кг.​

Как протекает цепная реакция при массе урана⁚

Характер протекания цепной реакции деления урана кардинально меняется в зависимости от соотношения массы урана и его критической массы⁚

меньше критической

Если масса урана меньше критической‚ цепная реакция не может быть самоподдерживающейся.​

Представьте себе одинокий костер.​ Пламя пытается разгореться‚ но дров слишком мало.​ Тепло быстро уходит‚ и костер гаснет.​

Аналогично‚ в образце урана с массой меньше критической⁚

• Нейтроны‚ вылетевшие при делении ядер‚ с большой вероятностью покидают образец‚ не успев столкнуться с другими ядрами урана.​
• Число делений ядер не нарастает‚ а наоборот‚ сходит на нет.​
• Выделяется небольшое количество энергии‚ и реакция быстро затухает.​

равной критической

Когда масса урана в точности равна критической‚ цепная реакция деления находится в состоянии равновесия.​

Это можно сравнить с костром‚ в котором дров ровно столько‚ чтобы поддерживать горение⁚

• Количество нейтронов‚ вызывающих новые деления ядер урана‚ в среднем равно количеству нейтронов‚ теряющихся в результате захвата ядрами без деления или утечки из образца.​
• Реакция протекает с постоянной интенсивностью‚ не затухая и не выходя из-под контроля.​
• Такое состояние цепной реакции используется в ядерных реакторах для получения энергии.

больше критической

Если масса урана превышает критическую‚ возникает неконтролируемая цепная реакция‚ приводящая к ядерному взрыву.​

Представьте‚ что в уже разгоревшийся костер бросили огромное количество дров. Пламя вырвется из-под контроля‚ и произойдет мощный выброс энергии.​

Точно так же в уране с массой больше критической⁚

• Каждый акт деления порождает больше нейтронов‚ чем теряется.​
• Возникает лавинообразное нарастание числа делений‚ и реакция выходит из-под контроля.​
• За доли секунды выделяется колоссальное количество энергии‚ что приводит к ядерному взрыву.​

Именно этот принцип используется в ядерном оружии.​

Факторы‚ влияющие на критическую массу урана⁚

Критическая масса урана не является константой.​ Она зависит от ряда факторов‚ которые могут либо облегчить‚ либо затруднить развитие цепной реакции⁚

Примеси

Примеси в уране могут существенно влиять на его критическую массу.​ Некоторые примеси‚ например‚ уран-238‚ являются поглотителями нейтронов.​

Они «захватывают» нейтроны‚ препятствуя их участию в цепной реакции деления урана-235.​ В результате‚ для достижения критической массы в уране с примесями может потребоваться большее количество делящегося материала‚ чем в чистом уране-235.

И наоборот‚ некоторые примеси могут способствовать развитию цепной реакции‚ делая критическую массу меньше.​

Оболочка

Наличие специальной оболочки вокруг урана способно значительно снизить его критическую массу.​

Оболочка изготавливается из материала‚ который хорошо отражает нейтроны‚ например‚ из бериллия. Нейтроны‚ вылетевшие из урана‚ вместо того чтобы «улететь» в окружающую среду‚ отражаются от оболочки обратно в образец‚ увеличивая вероятность столкновения с ядрами урана-235.​

Это позволяет достичь критической массы при меньшем количестве делящегося материала.

Замедлитель нейтронов

Замедлитель нейтронов ― это вещество‚ которое‚ как следует из названия‚ замедляет нейтроны‚ вылетевшие при делении ядер урана.​

Дело в том‚ что нейтроны‚ имеющие меньшую скорость (тепловые нейтроны)‚ эффективнее вызывают деление ядер урана-235.​

В качестве замедлителей нейтронов используют такие вещества‚ как вода‚ тяжелая вода или графит. Они поглощают часть кинетической энергии нейтронов‚ делая их более «подходящими» для поддержания цепной реакции.​

Применение замедлителя позволяет снизить критическую массу урана.

Применение знаний о критической массе⁚

Знание о критической массе и факторах‚ которые на нее влияют‚ имеет решающее значение в различных областях‚ связанных с использованием ядерной энергии⁚

Ядерные реакторы

В ядерных реакторах используется уран с массой‚ незначительно превышающей критическую.​

Для предотвращения неконтролируемой цепной реакции и обеспечения безопасности применяется целый ряд мер⁚

• Регулирование массы и обогащения урана⁚ Используется уран с низким обогащением‚ а его количество в активной зоне реактора строго контролируется.
• Применение замедлителей нейтронов⁚ Замедлители‚ такие как вода или графит‚ служат для снижения скорости нейтронов и поддержания контролируемой реакции.​
• Система управления и защиты⁚ Специальные стержни‚ поглощающие нейтроны‚ позволяют регулировать интенсивность цепной реакции и останавливать ее в случае необходимости.​

Благодаря этим мерам‚ в ядерных реакторах поддерживается контролируемая цепная реакция деления‚ обеспечивающая выработку тепловой энергии‚ которая затем преобразуется в электричество.​

Ядерное оружие

В ядерном оружии‚ напротив‚ используется принцип быстрого создания массы урана‚ значительно превышающей критическую.

Это достигается путем соединения нескольких кусков урана (или другого делящегося материала)‚ каждый из которых имеет массу меньше критической‚ в один сверхкритический массив.​ Соединение происходит в доли секунды с помощью взрывчатого вещества.​

В результате возникает лавинообразная цепная реакция деления‚ сопровождающаяся высвобождением огромного количества энергии в виде мощного ядерного взрыва.​