Что такое цепная реакция в физике кратко
Что такое цепная реакция в физике кратко
При делении ядра урана освобождаются два-три нейтрона.
Это позволяет осуществлять цепную реакцию деления урана.
Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может, в свою очередь, вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление.
В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.
Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии.
При делении каждого ядра выделяется энергия около 200 МэВ.
При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 • 10 4 кВт • ч.
Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Но для осуществления цепной реакции нельзя использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов.
В силу ряда причин из ядер, встречающихся в природе, пригодны лишь ядра изотопа урана с массовым числом 235, т. е. 
Изотопы урана
Естественный уран состоит в основном из двух изотопов: и 
.
Но изотоп составляет всего 1/140 долю от более распространенного изотопа .
Ядра делятся под влиянием как быстрых, так и медленных нейтронов.
Ядра же могут делиться лишь под влиянием нейтронов с энергией более 1 МэВ.
Такую энергию имеют примерно 60% нейтронов, появляющихся при делении.
Однако примерно лишь один нейтрон из пяти производит деление .
Остальные нейтроны захватываются этим изотопом, не производя деления.
В результате цепная реакция с использованием чистого изотопа невозможна.
Коэффициент размножения нейтронов
Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра.
Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.
Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице.
Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения».
Под сменой «поколений» понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого «поколения» и рождаются новые нейтроны.
Если k ≥ 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет.
При k 
Нептуний β-радиоактивен с периодом полураспада около двух дней.
В процессе распада нептуния образуется следующий трансурановый элемент — плутоний:
Плутоний относительно стабилен, так как его период полураспада велик — порядка 24 000 лет.
Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием медленных нейтронов, так же как и изотоп .
Поэтому с помощью плутония также может быть осуществлена цепная реакция, которая сопровождается выделением громадной энергии.
Цепная реакция деления возможна благодаря тому, что при делении ядер испускается два-три нейтрона.
Большая часть выделяемой энергии приходится на кинетическую энергию осколков делящихся ядер.
Содержание:
Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц.
В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза. Вследствие распада выделяется около 200 МэВ энергии, 165 МэВ уходит на перемещение так называемых осколков, остальную с собой уносят гамма-кванты.
При распаде 1 кг 235-го изотопа урана высвобождается 80*10 12 Дж энергии – в миллионы больше, чем 1 кг сожжённого каменного угля. С середины XX века начали вести работы по освобождению и обузданию этого энергетического потенциала для получения электрической энергии.
Проблемы при протекании ЦЯРД
Энергии высвободившихся нейтронов достаточно для расщепления 235U, на долю которого припадает около 0,7% встречающегося в природе урана. Элемента с массовым числом 238 – свыше 99%. Для протекания ЦЯРД нужно несколько десятков килограмм очищенного или обогащённого 235U, иначе практически вся энергия нейтронов уходит на столкновение с ураном-238.
Вторая беда – неуправляемость процессом. В области деления урана температура повышается до миллионов градусов, мгновенно испаряя все вещества вокруг. Образуется раскалённый газообразный шар, сносящий и сжигающий всё вокруг. Контролировать процесс научились благодаря установкам, названным ядерными реакторами.
Цепные ядерные реакции.
Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых трансурановых элементов (например, 23 9 Pu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U → А + В + v. Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов. Для течения цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или чтобы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.
Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.
Если k ≥ 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k > 1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.
В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядерной реакции пригодны лишь ядра изотопа 
. Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и 
, также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.
Образование плутония. В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп 
с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансурановый элемент нептуний:
.
β-радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний:
.
Период полураспада плутония 24000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии; при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 г ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжигании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Цепная реакция – схема деления кратко
Важнейшим процессом, за счет которого можно получать энергию распада тяжелых ядер, является цепная реакция деления. Кратко рассмотрим это явление.
Деление тяжелых ядер
Чем больше нуклонов содержит ядро, тем труднее ядерным силам сдерживать силы кулоновского отталкивания. Элементы тяжелее висмута имеют уже такой большой заряд ядра, что при малейшем внешнем воздействии ядро теряет стабильность и распадается на несколько частей.
Например, при попадании нейтрона в ядро урана, нейтрон захватывается ядром (он не испытывает кулоновского отталкивания), однако, ядро при этом получает дополнительную энергию, внутри возникают колебания и напряжения, в результате чего ядерных сил становится недостаточно, чтобы удерживать части ядра вместе, и ядро распадается на несколько осколков.
Рис. 1. Деление одного ядра урана.
Механизм цепной реакции
Чем тяжелее ядро, тем большую часть среди нуклонов занимают нейтроны. Поскольку они не имеют заряда и не испытывают кулоновского отталкивания, для тяжелых ядер они являются «стабилизирующим» фактором.
Однако, легким ядрам большое число нейтронов не требуется. В результате при распаде тяжелого ядра урана на несколько осколков, образуется некоторый избыток нейтронов, которые свободно покидают зону распада.
Эти образующиеся нейтроны играют ключевую роль в схеме образования цепной реакции. Поскольку нейтроны образуются внутри некоторой массы урана, они часто сталкиваются с другими ядрами. В результате таких столкновений другие ядра, в свою очередь также теряют стабильность, и испытывают распад, также освобождая новые нейтроны.
Рис. 2. Цепная реакция деления ядер урана.
Коэффициент размножения нейтронов
Для цепной реакции не требуется, чтобы все возникающие нейтроны обязательно вызывали распады ядер с образованием новых нейтронов. Важно лишь среднее число нейтронов, постоянно участвующих в таких распадах. И это число определяется специальным коэффициентом.
Цепная реакция может продолжаться только в том случае, если коэффициент размножения нейтронов не меньше единицы:
Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то число нейтронов в каждом новом поколении будет меньше, чем в предыдущем, и рано или поздно их станет так мало, что новые ядра перестанут распадаться. Цепная реакция прекратится.
Если этот коэффициент близок единице, то в каждом поколении количество нейтронов будет одинаково, цепная реакция будет продолжаться с одинаковой скоростью. Так происходит на атомных электростанциях.
Рис. 3. Атомная электростанция.
Что мы узнали?
Нейтрон, попадающий в ядро урана, вызывает его распад. При этом образуются несколько осколков и новые нейтроны. Эти новые нейтроны вызывают распад других ядер, которые, в свою очередь также испускают новые нейтроны. Данный процесс называется цепной ядерной реакцией.
Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.
Содержание
Механизм энерговыделения
Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.
Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 10 7 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).
Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счет неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.
Цепные реакции
Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.
Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.
Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.
Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235 U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно 2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.