Деление ядер урана. Цепная реакция. Ядерный реактор

Тема урока: Деление ядер урана. Цепная реакция. Ядерный реактор 📚

Цели урока 🎯

• Понять, как делится ядро урана-235 💥

• Разобраться в цепной реакции и критической массе 🔗

• Узнать, как устроен ядерный реактор ⚙️

Основная часть урока 📝

1. Как делится ядро урана? 🤔

В 1939 году Отто Ган и Фриц Штрассман открыли деление урана. Ядро ²³⁵₉₂U захватывает медленный нейтрон, становится неустойчивым и разрывается на два осколка, выбрасывая 2–3 новых нейтрона.

Осколки заряжены положительно и расталкиваются электрическими силами: они разлетаются и нагревают вещество. Одно деление даёт около 200 МэВ = 3,2·10⁻¹¹ Дж — в миллионы раз больше, чем химическая реакция с участием одного атома.

Задача 1. Допиши реакцию: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹³⁹₅₆Ba + ⁹⁴₃₆Kr + x·¹₀n. Сколько нейтронов вылетает?

1. Массовые числа: слева 235 + 1 = 236, справа 139 + 94 + x = 233 + x.

2. 236 = 233 + x, значит x = 3 нейтрона.

3. Проверка зарядов: слева 92 + 0 = 92, справа 56 + 36 + 0 = 92 ✅

2. Цепная реакция 🔗

Вылетевшие нейтроны делят соседние ядра — реакция поддерживает себя сама. Её описывает коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов нового поколения к предыдущему:

• k < 1 — реакция затухает 📉

• k = 1 — идёт ровно; так работает реактор ⚖️

• k > 1 — нарастает лавиной, произойдёт взрыв 💥

Для самоподдерживающейся реакции нужна критическая масса — минимальная масса урана, при которой реакция не гаснет (для шара из чистого урана-235 — около 50 кг). Из меньшего куска нейтроны вылетают наружу, не успев вызвать деления.

3. Ядерный реактор ⚙️

Реактор — устройство для управляемой цепной реакции (k = 1). Его главные части:

• ТВЭЛы — стержни с ядерным топливом (ураном) ⛽

• Замедлитель (вода или графит) — тормозит нейтроны: медленные нейтроны уран-235 захватывает лучше 🐢

• Управляющие стержни (бор, кадмий) — поглощают лишние нейтроны и держат k = 1 🎛

• Теплоноситель — уносит тепло; пар вращает турбину с генератором 💨

• Бетонная и стальная защита от излучения 🛡

4. Сколько энергии в 1 грамме урана? 🔥

Задача 2. Найди энергию, которая выделится при делении всех ядер в m = 1 г урана-235, если одно деление даёт E₁ = 3,2·10⁻¹¹ Дж.

1. Число ядер: N = (m/M)·N_A, где m = 0,001 кг — масса урана, M = 0,235 кг/моль — молярная масса, N_A = 6,02·10²³ 1/моль — постоянная Авогадро.

2. N = (0,001/0,235) · 6,02·10²³ ≈ 2,56·10²¹ ядер.

3. E = N·E₁ = 2,56·10²¹ · 3,2·10⁻¹¹ ≈ 8,2·10¹⁰ Дж.

4. Проверка сравнением: столько тепла даёт сжигание 8,2·10¹⁰/(3·10⁷) ≈ 2700 кг угля — около 2,7 тонны ✅

Типичные ошибки ⚠️

• ❌ Думать, что уран «горит», как дрова → ✅ энергия выделяется при делении ядер, кислород не нужен.

• ❌ Считать медленные нейтроны «слабыми» и бесполезными → ✅ именно их уран-235 захватывает лучше всего.

• ❌ Путать замедлитель и управляющие стержни → ✅ замедлитель тормозит нейтроны, стержни их поглощают.

• ❌ Не проверять суммы A и Z в реакции → ✅ суммы слева и справа обязаны совпадать.

Мини-конспект 📋

• Уран-235 делится, захватив медленный нейтрон: два осколка + 2–3 нейтрона.

• Одно деление — около 200 МэВ = 3,2·10⁻¹¹ Дж.

• Цепная реакция: нейтроны деления делят следующие ядра.

• k = 1 — управляемая реакция; k > 1 — взрыв.

• Критическая масса — минимум для самоподдерживающейся реакции.

• Реактор: топливо, замедлитель, управляющие стержни, теплоноситель, защита.

• 1 г урана-235 ≈ 8,2·10¹⁰ Дж ≈ 2,7 т угля.

Зачем это нужно? 🚀

• АЭС дают заметную долю электроэнергии России и мира ⚡

• Реакторы двигают атомные ледоколы и подводные лодки 🚢

• Понимание цепной реакции — основа радиационной безопасности 🛡