§ 26. Ядерные реакции. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерная реакция — превращение атомных ядер при их взаимодействии с частицами или друг с другом. В записи реакции слева указывают исходные ядра и частицы, а справа — образовавшиеся. При этом сохраняются суммарные массовые числа и зарядовые числа, что позволяет проверять правильность уравнения.

Деление ядра — распад тяжёлого ядра на два более лёгких ядра. Обычно одновременно испускаются нейтроны и выделяется энергия, потому что осколки оказываются более прочно связанными. Это явление служит основой работы ядерных реакторов.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при одном делении, вызывают новые деления. Каждое новое деление снова даёт нейтроны, поэтому процесс может продолжаться. От числа нейтронов, действительно вызывающих деление, зависит ход реакции.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепная реакция деления поддерживается и регулируется. В нём есть ядерное топливо, замедлитель, теплоноситель и управляющие стержни. Реактор нужен для безопасного получения большого количества тепла.

Как это устроено

Обозначение ядра записывают как ^A_ZX: символ X показывает химический элемент, Z — зарядовое число, то есть число протонов, а A — массовое число, сумму протонов и нейтронов. Чтобы проверить реакцию, отдельно складывают все A слева и справа, а затем все Z. Например, для ²³⁵₉₂U массовое число равно 235, а зарядовое — 92.

Нейтрон может приблизиться к ядру урана, потому что электрически нейтрален и не отталкивается положительным зарядом ядра. После захвата нейтрона исходное ядро становится возбуждённым и неустойчивым. Оно разделяется на два осколка, а избыток нейтронов и энергии уносится продуктами реакции.

Нейтроны от одного деления разлетаются в разные стороны и сталкиваются с другими ядрами топлива. Если хотя бы часть из них вызывает новые деления, появляются следующие поколения нейтронов. Реакция затухает, когда эффективных нейтронов становится меньше; поддерживается, когда их число примерно сохраняется; нарастает, когда каждое поколение вызывает больше делений, чем предыдущее.

В реакторе быстрые нейтроны пропускают через замедлитель — вещество, столкновения с которым уменьшают их скорость. Медленные нейтроны для некоторых видов топлива с большей вероятностью вызывают деление, поэтому реакция становится управляемой и устойчивой. Если нейтронов слишком много, управляющие стержни вводят глубже: они поглощают нейтроны и уменьшают число новых делений.

При делении ядер внутренняя энергия превращается прежде всего в тепло активной зоны реактора. Теплоноситель передаёт это тепло воде, вода превращается в пар, а поток пара вращает турбину. Турбина соединена с генератором, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую.

Ядерная реакция деления и цепная реакция

В таблице удобно сначала сравнить одно событие — деление ядра — с процессом, состоящим из множества таких событий. Особенно важно различать появление нейтронов и их способность вызвать новые деления. Именно это различие объясняет, почему реакция может затухать, поддерживаться или усиливаться.

Разбор задач

1. Сколько нейтронов испускается при делении урана?

Условие: нейтрон захватывается ядром урана-235, после чего образуются ксенон-140, стронций-94 и x нейтронов. Нужно найти x и проверить заряд. Запишем реакцию в общем виде: ¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴⁰₅₄Xe + ⁹⁴₃₈Sr + x¹₀n.

1. Составим сохранение массовых чисел: 1 + 235 = 140 + 94 + x.
2. Получаем 236 = 234 + x, поэтому x = 2.
3. Проверим зарядовые числа: 0 + 92 = 54 + 38 + 2 · 0, то есть 92 = 92.

Ответ: испускаются 2 нейтрона. Проверка по зарядовым числам подтверждает, что запись реакции согласована с законами сохранения.

2. Как определить ход цепной реакции?

Условие: по схеме нескольких поколений нейтронов нужно установить, затухает реакция, поддерживается или нарастает. Считаем не все появившиеся нейтроны, а только те, которые действительно вызывают деления в следующем поколении. Именно они определяют размножение реакции.

1. Для каждой пары соседних поколений подсчитайте эффективные нейтроны.
2. Если в следующем поколении их меньше, реакция затухает.
3. Если число примерно одинаково, реакция самоподдерживается.
4. Если эффективных нейтронов становится больше, реакция нарастает.

Ответ: классификация определяется сравнением соседних поколений на схеме. Нейтроны, поглощённые веществом или покинувшие активную зону, в число вызвавших новые деления не входят.

3. Как оценить энергию деления?

Условие: известно, что произошло N делений и каждое выделило энергию E₁. Требуется оценить общую энергию и объяснить её дальнейшее использование на электростанции. Поскольку события дают энергию независимо, их вклады складываются.

1. Запишите формулу: E = N · E₁.
2. Подставьте число делений и энергию одного деления в одинаковых единицах.
3. Полученную ядерную энергию рассмотрите как тепловую энергию топлива и теплоносителя.
4. Затем проследите цепочку: вода превращается в пар, пар вращает турбину, турбина приводит в действие генератор.

Ответ: общая энергия равна E = N · E₁, а конечным результатом работы оборудования становится электрическая энергия. Реальная мощность зависит также от времени, за которое происходят деления.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что в реакции сохраняются сами ядра. Их допускают, когда смешивают закон сохранения с постоянством вещества в обычных химических реакциях. Проверяйте отдельно суммы A и Z: ядра могут полностью превращаться в другие.

Ошибка 2. Приравнивать число испущенных нейтронов числу новых делений. Не каждый нейтрон сталкивается с нужным ядром: часть поглощается или покидает активную зону. Учитывайте только нейтроны, которые реально запускают следующие деления.

Ошибка 3. Считать, что цепная реакция всегда нарастает. Число делений зависит от потерь нейтронов и условий в активной зоне. Сравните соседние поколения: меньше, столько же или больше эффективных нейтронов.

Ошибка 4. Путать реактор с атомной электростанцией. Реактор обеспечивает регулируемое деление, а станция включает ещё теплообменники, турбину и генератор. Проверьте, о какой части преобразования энергии говорится в условии.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания о составе атомного ядра, протонах, нейтронах и обозначении изотопов: ^A_ZX. При составлении реакций применяются законы сохранения и умение складывать массовые и зарядовые числа. Связь с превращениями энергии помогает понять путь от деления ядер до электрического тока, а изучение атомной энергетики показывает практическое применение физики.

Что запомнить

• Ядерная реакция изменяет состав или состояние атомных ядер.
• В ядерных реакциях сохраняются суммарные массовое и зарядовое числа.
• При делении тяжёлого ядра могут возникать новые нейтроны.
• Новые нейтроны способны поддерживать цепную реакцию.
• В реакторе цепную реакцию контролируют.
• На атомной электростанции энергия деления в итоге преобразуется в электрическую.