Teorija relativnosti kaže da je masa poseban oblik energije. Iz toga slijedi da je moguće pretvoriti masu u energiju i energiju u masu. Na intraatomskoj razini takve se reakcije odvijaju. Konkretno, dio mase same atomske jezgre može se pretvoriti u energiju. To se događa na nekoliko načina. Prvo, jezgra se može raspasti na niz manjih jezgri, ova reakcija se naziva "raspad". Drugo, manje jezgre se lako mogu spojiti kako bi se napravila veća - ovo je reakcija fuzije. U svemiru su takve reakcije vrlo česte. Dovoljno je reći da je reakcija fuzije izvor energije za zvijezde. Ali reakciju raspada čovječanstvo koristi u nuklearnim reaktorima, budući da su ljudi naučili kontrolirati te složene procese. Ali što je nuklearna lančana reakcija? Kako to upravljati?
Što se događa u jezgri atoma
Nuklearna lančana reakcija je proces koji se događa kada se elementarne čestice ili jezgre sudare s drugim jezgrama. Zašto "lanac"? Ovo je skup uzastopnih pojedinačnih nuklearnih reakcija. Kao rezultat tog procesa dolazi do promjene kvantnog stanja i nukleonskog sastava izvorne jezgre, čak se pojavljuju i nove čestice – produkti reakcije. Nuklearna lančana reakcija, čija fizika omogućuje proučavanje mehanizama interakcije jezgri s jezgrama i s česticama, glavna je metoda za dobivanje novih elemenata i izotopa. Da bismo razumjeli tijek lančane reakcije, prvo se moramo pozabaviti pojedinačnim.
Što je potrebno za reakciju
Da bi se izveo takav proces kao što je nuklearna lančana reakcija, potrebno je približiti čestice (jezgru i nukleon, dvije jezgre) na udaljenosti polumjera jake interakcije (oko jedan fermi). Ako su udaljenosti velike, tada će interakcija nabijenih čestica biti čisto coulomb. U nuklearnoj reakciji poštuju se svi zakoni: održanje energije, količina gibanja, količina gibanja, barionski naboj. Nuklearna lančana reakcija označava se skupom simbola a, b, c, d. Simbol a označava izvornu jezgru, b dolazeću česticu, c novu odlazeću česticu, a d rezultirajuću jezgru.
reakciona energija
Nuklearna lančana reakcija može se odvijati i s apsorpcijom i s oslobađanjem energije, koja je jednaka razlici u masama čestica nakon reakcije i prije nje. Apsorbirana energija određuje minimalnu kinetičku energiju sudara,takozvani prag nuklearne reakcije, na kojem se ona može slobodno odvijati. Ovaj prag ovisi o česticama uključenim u interakciju i o njihovim karakteristikama. U početnoj fazi, sve čestice su u unaprijed određenom kvantnom stanju.
Provedba reakcije
Glavni izvor nabijenih čestica koje bombardiraju jezgru je akcelerator čestica, koji proizvodi snopove protona, teških iona i lakih jezgri. Spori neutroni se dobivaju korištenjem nuklearnih reaktora. Za fiksiranje incidentnih nabijenih čestica mogu se koristiti različite vrste nuklearnih reakcija, fuzije i raspadanja. Njihova vjerojatnost ovisi o parametrima čestica koje se sudaraju. Ta je vjerojatnost povezana s takvom karakteristikom kao što je presjek reakcije - vrijednost efektivne površine, koja karakterizira jezgru kao metu za upadne čestice i koja je mjera vjerojatnosti da će čestica i jezgra ući u interakciju. Ako u reakciji sudjeluju čestice spina različitog od nule, tada presjek izravno ovisi o njihovoj orijentaciji. Budući da spinovi upadnih čestica nisu potpuno nasumično orijentirani, već više ili manje uređeni, sve će korpuskule biti polarizirane. Kvantitativna karakteristika okretanja usmjerenog snopa opisana je vektorom polarizacije.
Mehanizam reakcije
Što je nuklearna lančana reakcija? Kao što je već spomenuto, ovo je slijed jednostavnijih reakcija. Karakteristike upadne čestice i njezina interakcija s jezgrom ovise o masi, naboju,kinetička energija. Interakcija je određena stupnjem slobode jezgri, koje se pobuđuju tijekom sudara. Stjecanje kontrole nad svim tim mehanizmima omogućuje proces kao što je kontrolirana nuklearna lančana reakcija.
Izravne reakcije
Ako nabijena čestica koja udari u ciljnu jezgru samo je dotakne, tada će trajanje sudara biti jednako udaljenosti potrebnoj za prevladavanje udaljenosti radijusa jezgre. Takva nuklearna reakcija naziva se izravna reakcija. Zajednička karakteristika za sve reakcije ovog tipa je pobuđivanje malog broja stupnjeva slobode. U takvom procesu, nakon prvog sudara, čestica još uvijek ima dovoljno energije da prevlada nuklearno privlačenje. Na primjer, takve interakcije kao što su neelastično raspršenje neutrona, izmjena naboja i odnose se na izravne. Doprinos ovakvih procesa obilježju zvanom "ukupni presjek" prilično je zanemariv. Međutim, raspodjela produkata prolaska izravne nuklearne reakcije omogućuje određivanje vjerojatnosti izlaska iz kuta smjera snopa, kvantnih brojeva, selektivnosti naseljenih stanja i određivanje njihove strukture..
Predravnotežna emisija
Ako čestica ne napusti područje nuklearne interakcije nakon prvog sudara, tada će biti uključena u cijelu kaskadu uzastopnih sudara. To je zapravo samo ono što se zove nuklearna lančana reakcija. Kao rezultat ove situacije, kinetička energija čestice se raspoređuje međusastavni dijelovi jezgre. Stanje same jezgre postupno će postati mnogo kompliciranije. Tijekom tog procesa određeni nukleon ili cijeli skup (skupina nukleona) može koncentrirati energiju dovoljnu za emisiju tog nukleona iz jezgre. Daljnje opuštanje će dovesti do stvaranja statističke ravnoteže i stvaranja složene jezgre.
lančane reakcije
Što je nuklearna lančana reakcija? Ovo je slijed njegovih sastavnih dijelova. To jest, više uzastopnih pojedinačnih nuklearnih reakcija uzrokovanih nabijenim česticama pojavljuju se kao produkti reakcije u prethodnim koracima. Što je nuklearna lančana reakcija? Na primjer, fisija teških jezgri, kada su višestruki događaji fisije inicirani neutronima dobivenim tijekom prethodnih raspada.
Značajke nuklearne lančane reakcije
Među svim kemijskim reakcijama, lančane reakcije se široko koriste. Čestice s neiskorištenim vezama igraju ulogu slobodnih atoma ili radikala. U procesu kao što je nuklearna lančana reakcija, mehanizam njenog nastanka osiguravaju neutroni, koji nemaju Coulombovu barijeru i pobuđuju jezgru pri apsorpciji. Ako se potrebna čestica pojavi u mediju, onda to uzrokuje lanac naknadnih transformacija koji će se nastaviti sve dok se lanac ne prekine zbog gubitka čestice nosača.
Zašto je prijevoznik izgubljen
Postoje samo dva razloga za gubitak čestice nosača kontinuiranog lanca reakcija. Prvi je apsorpcija čestice bez procesa emisijesekundarni. Drugi je odlazak čestice izvan granice volumena tvari koja podržava lančani proces.
Dvije vrste procesa
Ako se u svakom razdoblju lančane reakcije rodi samo jedna čestica nosača, tada se ovaj proces može nazvati nerazgranatim. Ne može dovesti do oslobađanja energije u velikim razmjerima. Ako postoji mnogo čestica nosača, onda se to naziva razgranatom reakcijom. Što je nuklearna lančana reakcija s grananjem? Jedna od sekundarnih čestica dobivenih u prethodnom činu nastavit će ranije započeti lanac, dok će ostale stvoriti nove reakcije koje će se također granati. Ovaj proces će se natjecati s procesima koji vode do prekida. Nastala situacija će dovesti do specifičnih kritičnih i ograničavajućih pojava. Na primjer, ako ima više prekida nego čisto novih lanaca, tada će samoodržavanje reakcije biti nemoguće. Čak i ako se umjetno pobuđuje unošenjem potrebnog broja čestica u dani medij, proces će se i dalje s vremenom (obično prilično brzo) raspasti. Ako broj novih lanaca premašuje broj prekida, tada će se nuklearna lančana reakcija početi širiti po cijeloj tvari.
Kritično stanje
Kritično stanje odvaja područje stanja materije s razvijenom samoodrživom lančanom reakcijom i područje u kojem je ta reakcija uopće nemoguća. Ovaj parametar karakterizira jednakost između broja novih krugova i broja mogućih prekida. Poput prisutnosti slobodne čestice nosača, kritičnadržava je glavna stavka na takvom popisu kao što su "uvjeti za provedbu nuklearne lančane reakcije". Postizanje ovog stanja može se odrediti brojnim mogućim čimbenicima. Fisiju jezgre teškog elementa pobuđuje samo jedan neutron. Kao rezultat procesa kao što je lančana reakcija nuklearne fisije, proizvodi se više neutrona. Stoga ovaj proces može proizvesti razgranatu reakciju, gdje će neutroni djelovati kao nosači. U slučaju kada se brzina hvatanja neutrona bez fisije ili bijega (stopa gubitka) kompenzira brzinom umnožavanja čestica nosača, tada će se lančana reakcija odvijati u stacionarnom načinu. Ova jednakost karakterizira faktor množenja. U gornjem slučaju, jednak je jedan. U nuklearnoj energiji, zbog uvođenja negativne povratne sprege između brzine oslobađanja energije i faktora množenja, moguće je kontrolirati tijek nuklearne reakcije. Ako je ovaj koeficijent veći od jedan, tada će se reakcija razvijati eksponencijalno. Nekontrolirane lančane reakcije koriste se u nuklearnom oružju.
Nuklearna lančana reakcija u energiji
Reaktivnost reaktora određena je velikim brojem procesa koji se odvijaju u njegovoj jezgri. Svi ti utjecaji određeni su takozvanim koeficijentom reaktivnosti. Učinak promjena temperature grafitnih šipki, rashladnih sredstava ili urana na reaktivnost reaktora i intenzitet takvog procesa kao što je nuklearna lančana reakcija karakterizira temperaturni koeficijent (za rashladno sredstvo, za uran, za grafit). Postoje i ovisne karakteristike u smislu snage, u smislu barometarskih pokazatelja, u smislu pokazatelja pare. Za održavanje nuklearne reakcije u reaktoru potrebno je neke elemente pretvoriti u druge. Da biste to učinili, potrebno je uzeti u obzir uvjete za tijek nuklearne lančane reakcije - prisutnost tvari koja je sposobna podijeliti i osloboditi iz sebe tijekom raspadanja određeni broj elementarnih čestica, koje kao rezultat, će uzrokovati fisiju preostalih jezgri. Kao takva tvar često se koriste uran-238, uran-235, plutonij-239. Tijekom prolaska nuklearne lančane reakcije, izotopi ovih elemenata će se raspasti i stvoriti dvije ili više drugih kemikalija. U tom procesu emitiraju se takozvane "gama" zrake, dolazi do intenzivnog oslobađanja energije, formiraju se dva ili tri neutrona, sposobni za nastavak reakcijskih djela. Postoje spori i brzi neutroni, jer da bi se jezgra atoma raspala, te čestice moraju letjeti određenom brzinom.
