ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 40
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 40. Деление ядер и цепная реакция

Как продукты одного деления могут вызвать следующие деления?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как продукты одного деления могут вызвать следующие деления?

Наблюдаем и объясняем

Цепь по поколениям

Меняй коэффициент размножения и следи за убыванием, постоянством или ростом.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

1
3

N₀ = 100 условных участников цепи; N = N₀kⁿ. Поколение не равно секунде. Материалы, размеры и реальная динамика не рассчитываются.

01

Энергетический смысл деления

Тяжёлое ядро может разделиться на два крупных осколка с испусканием нейтронов и других продуктов. Каналы различаются, поэтому нет одной обязательной пары осколков. Значительная часть выделившейся энергии сначала находится в их кинетическом движении.

Продукты деления в среднем сильнее связаны на нуклон, чем исходное тяжёлое ядро. Уменьшение суммарной энергии покоя переходит в движение, излучение и последующие процессы. Для типичного деления урана-235 общая энергия имеет порядок 200 МэВ, а не одно строго универсальное число.

Тяжёлое ядро

Исходная энергия покоя

Деление

Осколки и нейтроны

Торможение продуктов

Передача энергии веществу

Энергия деления связана с разностью масс и энергий связи конкретных продуктов.

Почему нельзя считать деление просто разрывом обычной химической связи?

Меняется само ядро, а характерные энергии намного больше энергий перестройки электронных связей.

02

Как продолжается цепь

Некоторые испущенные нейтроны вызывают новые деления. Другие поглощаются без деления или уходят из рассматриваемой системы. Поэтому число нейтронов на одно событие и число нейтронов, действительно продолжающих цепь, не равны.

Эффективный коэффициент размножения k описывает отношение числа нейтронов, поддерживающих цепь, в следующем поколении к предыдущему. Это интегральная характеристика баланса, а не только свойство одного ядра.

Как продолжается цепь: сравнение
Судьба нейтронаВклад в цепь
Вызывает следующее делениеПродолжает цепь
Поглощается без деленияВыбывает из цепи
Покидает системуНе вызывает следующее событие внутри

Цепная реакция зависит от баланса образования, поглощения и утечки нейтронов.

Почему испускание нескольких нейтронов при делении ещё не гарантирует рост цепи?

Часть нейтронов теряется или поглощается без деления; для роста важен эффективный остаток, а не общее испускание.

Схема цепной реакции деления

Схема показывает возможность продолжения цепи нейтронами. Реальные продукты, потери нейтронов и частоты событий требуют отдельного учёта.

User:Fastfission · Public domain · Источник. Без изменений.

Энергия связи на нуклон

По вертикали отложена средняя энергия связи на нуклон, по горизонтали — массовое число. Полная энергия связи и средняя на частицу различаются.

Fastfission · Public domain · Источник. Без изменений.

03

Три режима

Если k < 1, среднее число продолжающих цепь нейтронов убывает: режим подкритический. При k = 1 оно остаётся постоянным: критический режим. При k > 1 оно растёт: надкритический режим. Слово «критический» само по себе не означает аварийный режим.

В простейшей модели поколений Nₙ = N₀kⁿ. Она показывает арифметику баланса, но не описывает временную динамику, обратные связи, запаздывающие нейтроны или конструкцию реальной установки. Номер поколения не равен секунде.

Три режима: сравнение
k < 1k = 1k > 1
УбываниеСохранение среднего числаРост
ПодкритическийКритическийНадкритический

При k = 1 цепь поддерживается на постоянном среднем уровне, а не исчезает.

Может ли реактор выделять мощность при k = 1?

Да. Постоянное среднее число делений за время совместимо с постоянным выделением энергии.

04

Модель поколений

Меняй условный k и номер поколения. Сравни столбцы N₀, N₁ и последующие. При N₀ = 100 и k = 0,8 после трёх поколений среднее 51,2; при k = 1,2 — 172,8. Дробные результаты являются математическими ожиданиями.

Модель объясняет идею обратной связи без расчёта материалов, размеров или технологических параметров. Даже при постоянном k близость к единице существенно влияет на результат после многих поколений.

Начальный запас

N₀ = 100 условных участников цепи

Одно поколение

Умножить на k

Несколько поколений

Использовать kⁿ

Коэффициент размножения задаёт изменение от поколения к поколению, а не абсолютную мощность.

Почему нельзя по одному k = 1 найти мощность в ваттах?

Неизвестны абсолютная частота делений и выделяемая энергия; k описывает отношение поколений.

Соберём главное

Шесть выводов

01Энергия деления связана с разностью масс и энергий связи конкретных продуктов.
02Цепная реакция зависит от баланса образования, поглощения и утечки нейтронов.
03При k = 1 цепь поддерживается на постоянном среднем уровне, а не исчезает.
04Коэффициент размножения задаёт изменение от поколения к поколению, а не абсолютную мощность.
05Количество нейтронов и количество делений — связанные, но разные величины.
06Простая модель поколений не заменяет описание реального реактора.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. При делении тяжёлого ядра образуются…
2. Источник выделившейся энергии…
3. Что продолжает цепную реакцию?
4. Коэффициент k характеризует…
5. При k < 1 цепь в простой модели…
6. При k = 1…
7. При k > 1…
8. N₀ = 100, k = 0,8, три поколения. N…
9. N₀ = 100, k = 1,2, три поколения. N…
10. Можно ли по одному k найти мощность?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 40. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 40. Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…