Номер 2, страница 246 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

2. Какое вещество служит замедлителем нейтронов в ядерных реакторах?

Зачем нужен замедлитель?

Какое вещество служит замедлителем нейтронов в ядерных реакторах?

В качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах используются вещества, состоящие из лёгких элементов, которые эффективно замедляют быстрые нейтроны при столкновениях, но при этом слабо их поглощают. Наиболее распространёнными замедлителями являются:

• Обычная (лёгкая) вода ($H_2O$): Самый распространённый и дешёвый замедлитель. Используется в большинстве энергетических реакторов мира (типа ВВЭР, PWR, BWR). Водород, входящий в состав воды, имеет массу, близкую к массе нейтрона, что обеспечивает очень эффективное замедление.
• Тяжёлая вода ($D_2O$): Вода, в которой атомы водорода заменены на его тяжёлый изотоп — дейтерий. Дейтерий замедляет нейтроны менее эффективно за одно столкновение, чем протий (обычный водород), но он значительно реже поглощает нейтроны. Это позволяет использовать в качестве ядерного топлива природный или слабообогащённый уран. Используется в реакторах типа CANDU.
• Графит (углерод, $C$): Твёрдый замедлитель, применявшийся в первых ядерных реакторах, а также используемый в некоторых современных конструкциях (например, РБМК, газоохлаждаемые реакторы). Он хорошо замедляет нейтроны и обладает низким сечением поглощения.
• Бериллий ($Be$) и его оксид ($BeO$): Очень эффективные замедлители, но их применение ограничено из-за высокой стоимости и токсичности.

Ответ: В качестве замедлителей нейтронов в ядерных реакторах служат вещества с лёгкими ядрами, такие как обычная вода, тяжёлая вода и графит.

Зачем нужен замедлитель?

Замедлитель является ключевым элементом для обеспечения управляемой цепной ядерной реакции в большинстве типов реакторов, работающих на уране-235 ($^{235}U$). Его основная функция — замедление нейтронов, образующихся в процессе деления ядер.

Процесс можно описать следующими этапами:

1. Образование быстрых нейтронов. При делении ядра урана-235 высвобождается 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны имеют очень высокую кинетическую энергию (в среднем около $2$ МэВ) и называются быстрыми нейтронами.
2. Неэффективность быстрых нейтронов. Вероятность (эффективное сечение) того, что быстрый нейтрон вызовет деление следующего ядра $^{235}U$, довольно низка. Большинство быстрых нейтронов либо будут поглощены ядрами урана-238 (которого в топливе гораздо больше), либо покинут активную зону реактора, не вызвав деления.
3. Замедление нейтронов. Чтобы цепная реакция стала самоподдерживающейся, необходимо значительно повысить вероятность деления ядер $^{235}U$. Эта вероятность резко возрастает для медленных (тепловых) нейтронов, энергия которых сравнима с энергией теплового движения атомов окружающей среды (около $0.025$ эВ). Замедлитель, окружающий топливные элементы, предназначен именно для этого. Быстрые нейтроны, проходя через замедлитель, многократно упруго сталкиваются с его лёгкими ядрами (водорода, дейтерия, углерода) и при каждом столкновении теряют часть своей кинетической энергии, пока не замедлятся до тепловых скоростей.
4. Поддержание цепной реакции. Замедленные (тепловые) нейтроны с высокой вероятностью вызывают деление новых ядер $^{235}U$, что позволяет поддерживать цепную реакцию на постоянном уровне мощности.

Таким образом, без замедлителя в реакторах на тепловых нейтронах невозможно было бы запустить и поддерживать управляемую цепную реакцию с использованием природного или низкообогащённого урана.

Ответ: Замедлитель нужен для того, чтобы снижать энергию быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер, до тепловых энергий. Это необходимо, так как медленные (тепловые) нейтроны гораздо эффективнее вызывают деление ядер урана-235, что позволяет поддерживать управляемую цепную ядерную реакцию.