Teoria relativității spune că masa este o formă specială de energie. Rezultă că este posibil să se transforme masa în energie și energia în masă. La nivel intraatomic au loc astfel de reacții. În special, o parte din masa nucleului atomic în sine se poate transforma în energie. Acest lucru se întâmplă în mai multe moduri. În primul rând, nucleul se poate descompune într-un număr de nuclee mai mici, această reacție se numește „dezintegrare”. În al doilea rând, nucleele mai mici se pot combina cu ușurință pentru a face unul mai mare - aceasta este o reacție de fuziune. În univers, astfel de reacții sunt foarte frecvente. Este suficient să spunem că reacția de fuziune este sursa de energie pentru stele. Dar reacția de descompunere este folosită de omenire în reactoarele nucleare, deoarece oamenii au învățat să controleze aceste procese complexe. Dar ce este o reacție nucleară în lanț? Cum să o gestionezi?
Ce se întâmplă în nucleul unui atom
O reacție nucleară în lanț este un proces care are loc atunci când particulele elementare sau nucleele se ciocnesc cu alte nuclee. De ce „lanț”? Acesta este un set de reacții nucleare unice succesive. Ca rezultat al acestui proces, are loc o schimbare a stării cuantice și a compoziției nucleonilor a nucleului original, chiar și noi particule apar - produse de reacție. Reacția nucleară în lanț, a cărei fizică permite studierea mecanismelor de interacțiune a nucleelor cu nucleele și cu particulele, este principala metodă pentru obținerea de noi elemente și izotopi. Pentru a înțelege fluxul unei reacții în lanț, trebuie mai întâi să ne ocupăm de cele unice.
Ce este necesar pentru reacție
Pentru a realiza un astfel de proces ca o reacție nucleară în lanț, este necesar să se apropie particulele (un nucleu și un nucleon, doi nuclei) la o distanță de raza puternică de interacțiune (aproximativ un fermi). Dacă distanțele sunt mari, atunci interacțiunea particulelor încărcate va fi pur Coulomb. Într-o reacție nucleară se respectă toate legile: conservarea energiei, impuls, impuls, sarcină barionică. O reacție nucleară în lanț este notă cu setul de simboluri a, b, c, d. Simbolul a denotă nucleul original, b particula care intră, c noua particulă care iese și d nucleul rezultat.
Energia de reacție
O reacție nucleară în lanț poate avea loc atât cu absorbție, cât și cu eliberare de energie, care este egală cu diferența dintre masele particulelor după reacție și înaintea acesteia. Energia absorbită determină energia cinetică minimă a ciocnirii,așa-numitul prag al unei reacții nucleare, la care poate continua liber. Acest prag depinde de particulele implicate în interacțiune și de caracteristicile acestora. În stadiul inițial, toate particulele sunt într-o stare cuantică predeterminată.
Implementarea reacției
Sursa principală de particule încărcate care bombardează nucleul este acceleratorul de particule, care produce fascicule de protoni, ioni grei și nuclee ușoare. Neutronii lenți sunt obținuți prin utilizarea reactoarelor nucleare. Pentru a fixa particulele încărcate incidente, pot fi utilizate diferite tipuri de reacții nucleare, atât de fuziune, cât și de descompunere. Probabilitatea lor depinde de parametrii particulelor care se ciocnesc. Această probabilitate este asociată cu o caracteristică precum secțiunea transversală de reacție - valoarea ariei efective, care caracterizează nucleul ca țintă pentru particulele incidente și care este o măsură a probabilității ca particula și nucleul să intre în interacțiune. Dacă particulele cu un spin diferit de zero iau parte la reacție, atunci secțiunea transversală depinde direct de orientarea lor. Deoarece spinurile particulelor incidente nu sunt orientate complet aleator, ci mai mult sau mai puțin ordonate, toți corpusculii vor fi polarizați. Caracteristica cantitativă a spinurilor fasciculului orientat este descrisă de vectorul de polarizare.
Mecanism de reacție
Ce este o reacție nucleară în lanț? După cum am menționat deja, aceasta este o secvență de reacții mai simple. Caracteristicile particulei incidente și interacțiunea acesteia cu nucleul depind de masă, sarcină,energie kinetică. Interacțiunea este determinată de gradul de libertate al nucleelor, care sunt excitate în timpul ciocnirii. Obținerea controlului asupra tuturor acestor mecanisme permite un proces precum o reacție nucleară controlată în lanț.
Reacții directe
Dacă o particulă încărcată care lovește nucleul țintă îl atinge doar, atunci durata coliziunii va fi egală cu distanța necesară pentru a depăși distanța razei nucleului. O astfel de reacție nucleară se numește reacție directă. O caracteristică comună pentru toate reacțiile de acest tip este excitarea unui număr mic de grade de libertate. Într-un astfel de proces, după prima coliziune, particula mai are suficientă energie pentru a depăși atracția nucleară. De exemplu, interacțiuni precum împrăștierea inelastică a neutronilor, schimbul de sarcină și se referă la direct. Contribuția unor astfel de procese la caracteristica numită „secțiune transversală totală” este destul de neglijabilă. Cu toate acestea, distribuția produselor trecerii unei reacții nucleare directe face posibilă determinarea probabilității de evadare din unghiul de direcție al fasciculului, numerele cuantice, selectivitatea stărilor populate și determinarea structurii acestora.
Emisii înainte de echilibru
Dacă particula nu părăsește regiunea de interacțiune nucleară după prima ciocnire, atunci va fi implicată într-o întreagă cascadă de coliziuni succesive. Aceasta este de fapt ceea ce se numește o reacție nucleară în lanț. Ca urmare a acestei situații, energia cinetică a particulei este distribuită întrepărțile constitutive ale nucleului. Starea nucleului în sine va deveni treptat mult mai complicată. În timpul acestui proces, un anumit nucleon sau un întreg cluster (un grup de nucleoni) poate concentra energie suficientă pentru emisia acestui nucleon din nucleu. O relaxare ulterioară va duce la formarea echilibrului statistic și la formarea unui nucleu compus.
Reacții în lanț
Ce este o reacție nucleară în lanț? Aceasta este succesiunea părților sale constitutive. Adică, reacții nucleare unice succesive multiple cauzate de particulele încărcate apar ca produse de reacție în etapele anterioare. Ce este o reacție nucleară în lanț? De exemplu, fisiunea nucleelor grele, când mai multe evenimente de fisiune sunt inițiate de neutroni obținuți în timpul dezintegrarilor anterioare.
Caracteristicile unei reacții nucleare în lanț
Printre toate reacțiile chimice, reacțiile în lanț sunt utilizate pe scară largă. Particulele cu legături neutilizate joacă rolul de atomi liberi sau de radicali. Într-un proces precum o reacție nucleară în lanț, mecanismul apariției sale este asigurat de neutroni, care nu au o barieră Coulomb și excită nucleul la absorbție. Dacă particula necesară apare în mediu, atunci aceasta provoacă un lanț de transformări ulterioare care va continua până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare.
De ce se pierde operatorul de transport
Există doar două motive pentru pierderea particulei purtătoare a unui lanț continuu de reacții. Prima este absorbția particulei fără procesul de emisiesecundar. Al doilea este plecarea particulei dincolo de limita volumului substanței care susține procesul în lanț.
Două tipuri de proces
Dacă se naște doar o singură particulă purtătoare în fiecare perioadă a reacției în lanț, atunci acest proces poate fi numit neramificat. Nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă. Dacă există multe particule purtătoare, atunci aceasta se numește o reacție ramificată. Ce este o reacție nucleară în lanț cu ramificare? Una dintre particulele secundare obținute în actul anterior va continua lanțul început mai devreme, în timp ce celel alte vor crea reacții noi care se vor ramifica și ele. Acest proces va concura cu procesele care duc la pauză. Situația rezultată va da naștere unor fenomene critice și limitative specifice. De exemplu, dacă există mai multe întreruperi decât lanțuri pur noi, atunci auto-susținerea reacției va fi imposibilă. Chiar dacă este excitat artificial prin introducerea numărului necesar de particule într-un mediu dat, procesul se va descompune cu timpul (de obicei destul de repede). Dacă numărul de lanțuri noi depășește numărul de întreruperi, atunci o reacție nucleară în lanț va începe să se răspândească în întreaga substanță.
Stare critică
Starea critică separă zona stării materiei cu o reacție în lanț autosusținută dezvoltată și zona în care această reacție este deloc imposibilă. Acest parametru este caracterizat de egalitatea între numărul de circuite noi și numărul de întreruperi posibile. La fel ca prezența unei particule purtătoare libere, criticăstatul este elementul principal într-o astfel de listă ca „condiții pentru implementarea unei reacții nucleare în lanț”. Realizarea acestei stări poate fi determinată de o serie de factori posibili. Fisiunea nucleului unui element greu este excitată de un singur neutron. Ca rezultat al unui proces cum ar fi o reacție în lanț de fisiune nucleară, sunt produși mai mulți neutroni. Prin urmare, acest proces poate produce o reacție ramificată, în care neutronii vor acționa ca purtători. În cazul în care rata captărilor de neutroni fără fisiune sau scăpare (rata de pierdere) este compensată de rata de multiplicare a particulelor purtătoare, atunci reacția în lanț se va desfășura într-un mod staționar. Această egalitate caracterizează factorul de multiplicare. În cazul de mai sus, este egal cu unu. În energia nucleară, datorită introducerii unui feedback negativ între rata de eliberare a energiei și factorul de multiplicare, este posibil să se controleze cursul unei reacții nucleare. Dacă acest coeficient este mai mare de unu, atunci reacția se va dezvolta exponențial. Reacțiile în lanț necontrolate sunt folosite în armele nucleare.
Reacție nucleară în lanț în energie
Reactivitatea unui reactor este determinată de un număr mare de procese care au loc în miezul său. Toate aceste influențe sunt determinate de așa-numitul coeficient de reactivitate. Efectul schimbărilor de temperatură a tijelor de grafit, a lichidelor de răcire sau a uraniului asupra reactivității reactorului și a intensității unui astfel de proces precum o reacție nucleară în lanț sunt caracterizate printr-un coeficient de temperatură (pentru lichid de răcire, pentru uraniu, pentru grafit). Exista si caracteristici dependente din punct de vedere al puterii, din punct de vedere al indicatorilor barometrici, din punct de vedere al indicatorilor de abur. Pentru a menține o reacție nucleară într-un reactor, este necesară transformarea unor elemente în altele. Pentru a face acest lucru, este necesar să se țină seama de condițiile pentru curgerea unei reacții nucleare în lanț - prezența unei substanțe care este capabilă să se împartă și să elibereze din ea însăși în timpul dezintegrarii un anumit număr de particule elementare, care, ca rezultat, va provoca fisiunea nucleelor rămase. Ca atare substanță, uraniul-238, uraniul-235, plutoniul-239 sunt adesea utilizați. În timpul trecerii unei reacții nucleare în lanț, izotopii acestor elemente se vor descompune și vor forma două sau mai multe alte substanțe chimice. În acest proces sunt emise așa-numitele raze „gamma”, are loc o eliberare intensă de energie, se formează doi sau trei neutroni, capabili să continue actele de reacție. Există neutroni lenți și rapidi, deoarece pentru ca nucleul unui atom să se dezintegreze, aceste particule trebuie să zboare cu o anumită viteză.
