g9f-4.4· Глава 4: Атом и атомное ядро· ~14 мин

Ядерная энергия: деление, цепная реакция и реактор

Деление урана, цепная реакция, реактор и синтез

Тяжёлое ядро (например, 235U^{235}\text{U}), поглотив нейтрон, делится на два лёгких ядра, при этом выделяется большая энергия; эта энергия объясняется дефектом массы по формуле E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2. При каждом делении также выделяются 2-3 новых нейтрона; эти нейтроны способны расщеплять другие ядра, и возникает цепная реакция. Чтобы реакция продолжалась, масса вещества должна быть больше критической массы. В ядерном реакторе цепная реакция управляется: замедлитель (модератор) замедляет нейтроны, а управляющие стержни регулируют реакцию, поглощая избыточные нейтроны; в атомной бомбе же реакция не управляется. В термоядерной реакции (синтезе) лёгкие ядра соединяются, образуя более тяжёлое ядро, и выделяют ещё больше энергии — именно так возникает энергия Солнца.

📌Пример

Например: если деление одного ядра урана даёт примерно 200 MeV энергии, то деление 5 ядер выделяет 5×200=10005 \times 200 = 1000 MeV энергии.

Графики

Цепная ядерная реакция: нейтрон вызывает деление ядра урана, испускаются новые нейтроны, и цепь продолжается
Цепная ядерная реакция: нейтрон вызывает деление ядра урана, испускаются новые нейтроны, и цепь продолжается

Ключевые термины

Деление ядра (расщепление) — Деление тяжёлого ядра (например, 235U^{235}\text{U}) на два лёгких ядра при поглощении нейтрона; при этом выделяется большая энергия.
Дефект массы — Масса, теряемая в реакции; эта масса превращается в энергию по формуле E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2 и является источником ядерной энергии.
Цепная реакция — Самоподдерживающаяся реакция, при которой 2-3 нейтрона, выделяющиеся при каждом делении, расщепляют другие ядра.
Критическая масса — Наименьшая масса топлива, необходимая для непрерывного протекания цепной реакции; при меньшей массе реакция затухает.
Коэффициент размножения kk — Среднее число нейтронов одного поколения, вызывающих новое деление; k>1k > 1 означает усиление, k=1k = 1 — стабильность, k<1k < 1 — затухание.
Термоядерная реакция (синтез) — Соединение лёгких ядер с образованием более тяжёлого ядра и выделением ещё большей энергии; источник энергии Солнца.
Основные части реактора и их функции
ЧастьФункция
Активная зонаЗдесь хранится и делится ядерное топливо (уран)
Модератор (замедлитель)Замедляет нейтроны
Управляющие стержниУправляют реакцией, поглощая избыточные нейтроны
Теплоноситель (вода)Переносит выделяющееся тепло к генератору

В реакторе цепная реакция управляется; чем глубже опущены стержни, тем больше нейтронов поглощается.

Сравнение реакций деления и синтеза
ПризнакДеление (расщепление)Синтез (соединение)
Что происходит с ядромТяжёлое ядро делится на два лёгких ядраЛёгкие ядра соединяются, образуя тяжёлое ядро
Начальный факторПоглощение нейтронаОчень высокая температура и давление
Источник энергииДефект массы (E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2)Дефект массы (E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2)
ПримерРеактор, атомная бомбаСолнце и звёзды

В обеих реакциях энергия получается из теряемой массы, то есть из дефекта массы.

✎Общая энергия, выделяющаяся при делении
  1. 1Дано: Деление одного ядра даёт ≈200\approx 200 MeV; делятся 5 ядер.
  2. 2Формула: Общая энергия = число делений ×\times энергия одного деления.
  3. 3Вычисление: 5×200=10005 \times 200 = 1000 MeV.
  4. 4Ответ: Общая энергия равна 1000 MeV.
✎Число нейтронов в цепной реакции
  1. 1Дано: Каждое деление даёт 2 новых нейтрона; начинается с 1 нейтрона.
  2. 2Формула: Число нейтронов после nn поколений =2n= 2^n.
  3. 3Вычисление: Для 3 поколений: 23=2⋅2⋅2=82^3 = 2 \cdot 2 \cdot 2 = 8.
  4. 4Ответ: После 3 поколений образуется 8 нейтронов.
🚫Частая ошибка

Модератор ЗАМЕДЛЯЕТ нейтроны, а управляющие стержни ПОГЛОЩАЮТ их. Не путай эти две функции — модератор не поглощает, стержни не замедляют.

⚠️Внимание

Не путай деление (тяжёлое ядро → два лёгких ядра) с синтезом (лёгкие ядра → тяжёлое ядро); они идут в противоположных направлениях, но обе реакции выделяют энергию.

⚠️Внимание

Обрати внимание на условие по массе: если масса БОЛЬШЕ критической, реакция продолжается, если МЕНЬШЕ — затухает. Через коэффициент размножения: k>1k > 1 — взрыв, k=1k = 1 — реактор, k<1k < 1 — затухание.

💡Заметка

Ядерная энергия в разы больше, чем при химическом горении, потому что ядерные силы гораздо мощнее электронных (химических) сил, а дефект массы значительно больше.

Правила

  1. 1Деление начинается с поглощения нейтрона тяжёлым ядром (235U^{235}\text{U}) и даёт большую энергию (≈200\approx 200 MeV).
  2. 2При каждом делении выделяется 2-3 нейтрона → цепная реакция (требуется критическая масса).
  3. 3В реакторе управляющие стержни, поглощая нейтроны, управляют реакцией; модератор замедляет нейтроны.
  4. 4Термоядерная реакция (синтез) — это соединение лёгких ядер (энергия Солнца).

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс