Номер 4, страница 246 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

4. Как осуществляется управление цепной реакцией деления?

4. Управление цепной реакцией деления в ядерных реакторах осуществляется путем контроля количества нейтронов в активной зоне, что позволяет поддерживать реакцию на стабильном, безопасном уровне. Для описания состояния реакции используется ключевой параметр — коэффициент размножения нейтронов $k$. Он показывает отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем.

• Если $k < 1$ (подкритическое состояние), то количество нейтронов убывает, и цепная реакция затухает.
• Если $k > 1$ (надкритическое состояние), то количество нейтронов и, следовательно, мощность реактора лавинообразно нарастают, что опасно и может привести к разрушению реактора.
• Если $k = 1$ (критическое состояние), реакция протекает с постоянной скоростью, выделяется постоянное количество энергии. Это является штатным рабочим режимом для ядерного реактора.

Для поддержания коэффициента размножения на уровне $k=1$ и изменения мощности реактора используются следующие основные методы:

1. Использование управляющих (регулирующих) стержней. Это основной и самый оперативный способ управления реакцией. В активную зону реактора вводятся или из нее выводятся стержни, изготовленные из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны (например, карбид бора, сплавы с кадмием, гафнием).
   • Введение стержней в активную зону приводит к поглощению части нейтронов. В результате коэффициент размножения $k$ уменьшается, и интенсивность реакции (мощность реактора) снижается.
   • Выведение стержней из активной зоны уменьшает поглощение нейтронов, $k$ увеличивается, и мощность реактора растет.
   Путем точного изменения глубины погружения стержней операторы могут тонко настраивать и поддерживать состояние $k=1$. Для экстренного прекращения реакции (например, в аварийной ситуации) существует система аварийной защиты, которая мгновенно сбрасывает в активную зону все стержни, делая реактор глубоко подкритическим ($k \ll 1$).
2. Использование замедлителя нейтронов. В большинстве современных реакторов (на тепловых нейтронах) используется замедлитель (например, обычная вода, тяжелая вода, графит). Его задача — снижать энергию быстрых нейтронов, которые образуются при делении, до тепловых энергий. Тепловые (медленные) нейтроны гораздо эффективнее вызывают деление ядер урана-235. Свойства замедлителя могут использоваться для пассивного управления. Например, в водо-водяных реакторах при росте температуры вода расширяется, ее плотность падает, и она хуже замедляет нейтроны. Это приводит к автоматическому снижению скорости реакции, что является важным фактором внутренней безопасности реактора (отрицательный температурный коэффициент реактивности).
3. Использование выгорающих поглотителей и борного регулирования. Для компенсации медленных изменений в реактивности (например, выгорания ядерного топлива) используются дополнительные методы. В некоторых реакторах (например, ВВЭР/PWR) в воде первого контура растворяют борную кислоту. Бор является сильным поглотителем нейтронов. Плавно снижая концентрацию бора в воде в течение топливной кампании, можно компенсировать уменьшение количества делящегося вещества и поддерживать возможность управления реакцией с помощью стержней.

Таким образом, управление цепной реакцией — это комплексный процесс, основанный на точном балансировании рождения и поглощения нейтронов в активной зоне реактора для поддержания его в стабильном и безопасном состоянии.

Ответ: Управление цепной реакцией деления осуществляется в основном путем изменения количества нейтронов в активной зоне ядерного реактора. Главным инструментом для этого служат управляющие стержни, сделанные из материалов-поглотителей нейтронов (бор, кадмий). Погружение стержней в активную зону уменьшает число нейтронов и замедляет реакцию ($k < 1$), а их извлечение — увеличивает число нейтронов и ускоряет реакцию ($k > 1$). Цель управления состоит в поддержании коэффициента размножения нейтронов строго равным единице ($k=1$), что обеспечивает протекание реакции с постоянной, контролируемой мощностью. В качестве дополнительных средств управления и обеспечения безопасности используются свойства замедлителя и введение в теплоноситель растворимых поглотителей нейтронов.