Что такое цепная ядерная реакция?

Реакция ядерного деления происходит, когда атомы нестабильного элемента бомбардируются нейтронами, разделяя ядро ​​каждого атома на более мелкие части. Если при расщеплении каждого ядра высвобождается несколько высокоскоростных нейтронов, которые затем могут расщепить больше ядер элемента, происходит цепная реакция. По мере того как дополнительные нейтроны расщепляют больше ядер, выделяется больше энергии, и цепная реакция может привести к взрыву, подобному взрыву ядерной бомбы. Если цепная реакция контролируется путем удаления некоторых лишних нейтронов, энергия по-прежнему выделяется в виде тепла, но взрыва можно избежать. Цепная ядерная реакция - это один из трех типов ядерных реакций, которые имеют разные характеристики и могут использоваться по-разному.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Цепная ядерная реакция - это реакция деления, при которой высвобождаются дополнительные нейтроны. Нейтроны расщепляют дополнительные атомы, высвобождая еще больше нейтронов. Поскольку количество испускаемых нейтронов и количество расщепленных атомов экспоненциально возрастает, может произойти ядерный взрыв.

Ядро атома хранит много энергии, которая может служить полезным целям. Три типа ядерных реакций, в которых используется ядерная энергия, - это радиация, деление и синтез. Медицинские и промышленные рентгеновские аппараты используют излучение радиоактивных элементов для создания изображений тела или для тестирования материалов. Электростанции и ядерное оружие используют ядерное деление для производства энергии. Ядерный синтез приводит в действие Солнце, но ученым не удалось создать долгосрочную реакцию ядерного синтеза на Земле, хотя усилия продолжаются. Из этих трех типов ядерных реакций только деление может вызвать цепную реакцию.

Ключом к ядерной цепной реакции является обеспечение того, чтобы реакция генерировала дополнительные нейтроны и чтобы нейтроны расщепляли больше атомов. Поскольку элемент уран-235 производит несколько нейтронов на каждый расщепленный атом, этот изотоп урана используется в ядерных энергетических реакторах и в ядерном оружии.

Форма и масса урана влияют на то, может ли иметь место цепная реакция. Если масса урана слишком мала, слишком много нейтронов испускается за пределы урана и теряется в реакции. Если уран неправильной формы, например плоский лист, также теряется слишком много нейтронов. Идеальная форма - это твердая масса, достаточно большая, чтобы запустить цепную реакцию. В этом случае лишние нейтроны поражают другие атомы, и эффект размножения приводит к цепной реакции.

Единственный способ контролировать или остановить ядерную цепную реакцию - не дать нейтронам расщепить больше атомов. Управляющие стержни, сделанные из элемента, поглощающего нейтроны, такого как бор, уменьшают количество свободных нейтронов и выводят их из реакции. Этот метод используется для контроля количества энергии, производимой реактором, и для обеспечения того, чтобы ядерная реакция оставалась под контролем.

На атомной электростанции регулирующие стержни поднимаются и опускаются в урановое топливо. В полностью опущенном состоянии все стержни окружены топливом и поглощают большую часть нейтронов. В этом случае цепная реакция прекращается. По мере того, как стержни поднимаются, каждый стержень меньше поглощает нейтроны, и цепная реакция ускоряется. Таким образом операторы атомной электростанции могут контролировать и останавливать цепную ядерную реакцию.

Хотя цепные ядерные реакции на электростанциях по всему миру вырабатывают значительное количество электроэнергии, атомные электростанции сталкиваются с двумя основными проблемами. Во-первых, всегда есть риск того, что система управления на основе стержней управления не заработает из-за технических сбоев, человеческой ошибки или саботажа. В этом случае может произойти взрыв или выброс радиации. Во-вторых, отработанное топливо очень радиоактивно и должно безопасно храниться в течение тысяч лет. Эта проблема до сих пор не решена, и отработанное топливо в большинстве случаев остается на различных атомных станциях. В результате практическое использование ядерных цепных реакций сократилось во многих странах, в том числе в Соединенных Штатах.