Расскажите о механизме протекания цепной ядерной реакции.

Цепная ядерная реакция — это процесс, при котором ядерное превращение вызывает другие ядерные превращения, которые, в свою очередь, порождают новые реакции. Таким образом, процесс может поддерживать сам себя и протекать с нарастающей интенсивностью, если для этого созданы необходимые условия.

Наиболее известный пример цепной ядерной реакции — деление тяжёлых атомных ядер, например урана-235 или плутония-239.

1. Как происходит цепная ядерная реакция

Механизм цепной реакции можно рассмотреть на примере деления ядра урана-235.

1. Поглощение нейтрона. Ядро атома урана-235 захватывает свободный нейтрон. В результате образуется возбуждённое ядро урана-236, которое находится в неустойчивом состоянии.

2. Деление ядра. Неустойчивое ядро распадается на два более лёгких ядра — осколка деления. Это могут быть ядра различных химических элементов, например бария и криптона.

3. Выделение энергии. При делении выделяется большое количество энергии, преимущественно в виде кинетической энергии образовавшихся осколков, а также энергии гамма-излучения.

4. Появление новых нейтронов. Одновременно с делением обычно высвобождаются 2–3 свободных нейтрона. Они могут столкнуться с другими ядрами урана-235 и вызвать их деление.

5. Повторение процесса. Новые акты деления снова сопровождаются выделением энергии и появлением нейтронов. Они вызывают следующие ядерные реакции, благодаря чему процесс приобретает цепной характер.

Таким образом, каждый акт деления может стать причиной нескольких последующих актов деления.

2. Условия протекания цепной ядерной реакции

Для поддержания цепной реакции необходимо выполнение нескольких условий:

• Наличие делящегося вещества. В веществе должны присутствовать ядра, способные делиться при поглощении нейтронов.

• Достаточное количество ядерного топлива. Необходимо, чтобы нейтроны с достаточной вероятностью вызывали новые акты деления, а не покидали вещество или поглощались без деления.

• Подходящий нейтронный баланс. Количество нейтронов, вызывающих новые деления, должно быть достаточным для продолжения реакции.

• Подходящие физические условия. Температура, плотность вещества и другие параметры влияют на вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами.

Особое значение имеет понятие критической массы — минимального количества делящегося материала при определённых условиях, необходимого для поддержания самоподдерживающейся цепной реакции. Она зависит не только от массы вещества, но и от его состава, формы, плотности и окружающих материалов.

3. Виды цепных ядерных реакций

В зависимости от характера протекания процесса выделяют три основных состояния.

1. Подкритическое состояние.

При каждом акте деления в среднем возникает недостаточно нейтронов для поддержания прежнего количества реакций. Поэтому число новых делений постепенно уменьшается, и цепная реакция затухает.

2. Критическое состояние.

Каждое поколение нейтронов в среднем вызывает столько же новых актов деления, сколько было в предыдущем поколении. Реакция протекает с постоянной интенсивностью.

Именно такой режим используется в ядерных энергетических реакторах для получения управляемой энергии.

3. Надкритическое состояние.

Каждое последующее поколение нейтронов вызывает больше актов деления, чем предыдущее. В результате количество делений быстро увеличивается, а энергия выделяется с нарастающей интенсивностью.

4. Энергия цепной ядерной реакции

При делении одного ядра урана-235 выделяется примерно 200 МэВ энергии. Это очень большая величина для одного атомного превращения.

Энергия возникает потому, что суммарная масса продуктов деления немного меньше массы исходного ядра и поглощённого нейтрона. Разница масс превращается в энергию согласно формуле Эйнштейна:

где:

• $E$ — выделившаяся энергия;

• $m$ — разность масс;

• $c$ — скорость света в вакууме.

Благодаря огромному количеству атомных ядер даже небольшое количество ядерного топлива может выделять колоссальную энергию.

5. Практическое применение цепной ядерной реакции

Цепные ядерные реакции имеют большое значение для науки, энергетики и промышленности.

• Атомные электростанции. В ядерных реакторах поддерживается контролируемая цепная реакция деления. Выделяющееся тепло используется для нагрева теплоносителя, получения пара и вращения турбин, которые вырабатывают электрическую энергию.

• Научные исследования. Ядерные реакции применяются для изучения строения атомного ядра, получения изотопов и исследования свойств различных веществ.

• Ядерное оружие. В нём используется чрезвычайно быстрое развитие неуправляемой цепной реакции, сопровождающееся выделением огромного количества энергии за очень короткое время.

Заключение

Таким образом, механизм цепной ядерной реакции основан на способности нейтронов, возникающих при делении тяжёлых атомных ядер, вызывать деление других ядер. В результате образуется самоподдерживающийся процесс, при котором каждое новое деление способствует возникновению последующих реакций.

Главной особенностью цепной ядерной реакции является возможность её затухания, устойчивого протекания или быстрого нарастания в зависимости от количества нейтронов, участвующих в последующих актах деления. Именно это свойство позволяет использовать ядерную энергию в атомной энергетике и объясняет физическую основу работы ядерных реакторов.