Teoria względności mówi, że masa jest szczególną formą energii. Wynika z tego, że możliwe jest przekształcenie masy w energię i energii w masę. Na poziomie wewnątrzatomowym zachodzą takie reakcje. W szczególności część masy samego jądra atomowego może zamienić się w energię. Dzieje się to na kilka sposobów. Po pierwsze, jądro może rozpadać się na wiele mniejszych jąder, ta reakcja nazywana jest „rozpadem”. Po drugie, mniejsze jądra mogą łatwo łączyć się w większe - jest to reakcja fuzji. We wszechświecie takie reakcje są bardzo powszechne. Wystarczy powiedzieć, że reakcja syntezy jądrowej jest źródłem energii dla gwiazd. Ale reakcja rozpadu jest wykorzystywana przez ludzkość w reaktorach jądrowych, ponieważ ludzie nauczyli się kontrolować te złożone procesy. Ale czym jest reakcja łańcucha jądrowego? Jak nim zarządzać?
Co dzieje się w jądrze atomu
Łańcuchowa reakcja jądrowa to proces, który zachodzi, gdy elementarne cząstki lub jądra zderzają się z innymi jądrami. Dlaczego „łańcuch”? Jest to zestaw następujących po sobie pojedynczych reakcji jądrowych. W wyniku tego procesu następuje zmiana stanu kwantowego i składu nukleonowego pierwotnego jądra, pojawiają się nawet nowe cząstki - produkty reakcji. Jądrowa reakcja łańcuchowa, której fizyka pozwala badać mechanizmy oddziaływania jąder z jądrami iz cząsteczkami, jest główną metodą otrzymywania nowych pierwiastków i izotopów. Aby zrozumieć przebieg reakcji łańcuchowej, należy najpierw poradzić sobie z pojedynczymi.
Co jest potrzebne do reakcji
Aby przeprowadzić taki proces jak łańcuchowa reakcja jądrowa, konieczne jest zbliżenie cząstek (jądro i nukleon, dwa jądra) na odległość o promieniu oddziaływania silnego (około jednego fermi). Jeśli odległości są duże, to oddziaływanie naładowanych cząstek będzie czysto kulombowskie. W reakcji jądrowej przestrzegane są wszystkie prawa: zachowanie energii, pęd, pęd, ładunek barionowy. Reakcja łańcuchowa jądrowa jest oznaczona zestawem symboli a, b, c, d. Symbol a oznacza pierwotne jądro, b przychodzącą cząstkę, c nową wychodzącą cząstkę, d powstałe jądro.
Energia reakcji
Łańcuchowa reakcja jądrowa może zachodzić zarówno z absorpcją, jak iz uwolnieniem energii, która jest równa różnicy mas cząstek po reakcji i przed nią. Pochłonięta energia określa minimalną energię kinetyczną zderzenia,tak zwany próg reakcji jądrowej, przy którym może ona swobodnie przebiegać. Ten próg zależy od cząstek biorących udział w interakcji i od ich właściwości. Na początkowym etapie wszystkie cząstki znajdują się w określonym stanie kwantowym.
Wdrożenie reakcji
Głównym źródłem naładowanych cząstek, które bombardują jądro, jest akcelerator cząstek, który wytwarza wiązki protonów, ciężkich jonów i lekkich jąder. Powolne neutrony uzyskuje się dzięki zastosowaniu reaktorów jądrowych. Do utrwalania padających cząstek naładowanych można zastosować różne rodzaje reakcji jądrowych, zarówno syntezy, jak i rozpadu. Ich prawdopodobieństwo zależy od parametrów zderzających się cząstek. Prawdopodobieństwo to jest związane z taką cechą, jak przekrój reakcji - wartość efektywnej powierzchni, która charakteryzuje jądro jako cel padających cząstek i która jest miarą prawdopodobieństwa, że cząstka i jądro wejdą w interakcję. Jeżeli w reakcji biorą udział cząstki o niezerowym spinie, to przekrój bezpośrednio zależy od ich orientacji. Ponieważ spiny padających cząstek nie są całkowicie zorientowane losowo, ale mniej lub bardziej uporządkowane, wszystkie cząstki zostaną spolaryzowane. Charakterystykę ilościową zorientowanych spinów wiązki opisuje wektor polaryzacji.
Mechanizm reakcji
Co to jest reakcja łańcuchowa jądrowa? Jak już wspomniano, jest to sekwencja prostszych reakcji. Charakterystyka padającej cząstki i jej oddziaływanie z jądrem zależy od masy, ładunku,energia kinetyczna. Oddziaływanie jest określone przez stopień swobody jąder, które są wzbudzane podczas zderzenia. Przejęcie kontroli nad wszystkimi tymi mechanizmami pozwala na taki proces, jak kontrolowana reakcja łańcuchowa.
Reakcje bezpośrednie
Jeśli naładowana cząstka, która uderza w jądro docelowe, tylko je dotknie, czas zderzenia będzie równy odległości niezbędnej do pokonania odległości promienia jądra. Taka reakcja jądrowa nazywana jest reakcją bezpośrednią. Wspólną cechą wszystkich tego typu reakcji jest wzbudzenie małej liczby stopni swobody. W takim procesie, po pierwszym zderzeniu, cząsteczka wciąż ma wystarczająco dużo energii, aby przezwyciężyć przyciąganie jądrowe. Na przykład takie oddziaływania, jak nieelastyczne rozpraszanie neutronów, wymiana ładunku i odnoszą się do bezpośrednich. Udział takich procesów w charakterystyce zwanej „przekrojem całkowitym” jest dość znikomy. Natomiast rozkład produktów przejścia bezpośredniej reakcji jądrowej umożliwia określenie prawdopodobieństwa ucieczki od kąta kierunku wiązki, liczb kwantowych, selektywności stanów zaludnionych oraz określenie ich struktury.
Emisja przedrównowagowa
Jeżeli cząsteczka nie opuści obszaru oddziaływania jądrowego po pierwszym zderzeniu, to będzie uczestniczyć w całej kaskadzie kolejnych zderzeń. To jest właśnie to, co nazywa się reakcją łańcuchową jądrową. W wyniku tej sytuacji energia kinetyczna cząstki rozkłada się międzyczęści składowe jądra. Stan samego jądra stopniowo stanie się znacznie bardziej skomplikowany. W trakcie tego procesu pewien nukleon lub cały klaster (grupa nukleonów) może skoncentrować energię wystarczającą do emisji tego nukleonu z jądra. Dalsza relaksacja doprowadzi do powstania równowagi statystycznej i powstania jądra złożonego.
Reakcje łańcuchowe
Co to jest reakcja łańcuchowa jądrowa? To jest kolejność jego części składowych. Oznacza to, że w poprzednich etapach jako produkty reakcji pojawia się wiele następujących po sobie pojedynczych reakcji jądrowych wywołanych przez naładowane cząstki. Co to jest reakcja łańcucha jądrowego? Na przykład rozszczepienie ciężkich jąder, gdy wielokrotne rozszczepienie jest inicjowane przez neutrony uzyskane podczas poprzednich rozpadów.
Cechy jądrowej reakcji łańcuchowej
Wśród wszystkich reakcji chemicznych szeroko stosowane są reakcje łańcuchowe. Cząstki z niewykorzystanymi wiązaniami pełnią rolę wolnych atomów lub rodników. W procesie takim jak łańcuchowa reakcja jądrowa mechanizm jej powstawania zapewniają neutrony, które nie mają bariery kulombowskiej i pobudzają jądro po absorpcji. Jeżeli w ośrodku pojawi się potrzebna cząstka, to powoduje to ciąg kolejnych przemian, który będzie trwał aż do zerwania łańcucha z powodu utraty cząstki nośnika.
Dlaczego przewoźnik zaginął
Istnieją tylko dwa powody utraty cząstki nośnika ciągłego łańcucha reakcji. Pierwsza to absorpcja cząstki bez procesu emisjiwtórny. Drugim jest odejście cząstki poza granicę objętości substancji, która wspiera proces łańcuchowy.
Dwa rodzaje procesów
Jeśli tylko jedna cząsteczka nośnika rodzi się w każdym okresie reakcji łańcuchowej, to proces ten można nazwać nierozgałęzionym. Nie może prowadzić do uwolnienia energii na dużą skalę. Jeśli istnieje wiele cząstek nośnika, nazywa się to reakcją rozgałęzioną. Co to jest reakcja łańcucha jądrowego z rozgałęzieniem? Jedna z cząstek wtórnych otrzymanych w poprzednim akcie będzie kontynuowała rozpoczęty wcześniej łańcuch, podczas gdy inne będą tworzyć nowe reakcje, które również będą się rozgałęziać. Proces ten będzie konkurował z procesami prowadzącymi do przerwy. Powstała sytuacja spowoduje powstanie określonych zjawisk krytycznych i ograniczających. Na przykład, jeśli przerw jest więcej niż czysto nowych łańcuchów, to samopodtrzymanie reakcji będzie niemożliwe. Nawet jeśli zostanie on sztucznie wzbudzony przez wprowadzenie wymaganej liczby cząstek do danego ośrodka, to proces będzie z czasem zanikał (zwykle dość szybko). Jeśli liczba nowych łańcuchów przekroczy liczbę przerw, reakcja łańcuchowa jądrowa zacznie się rozprzestrzeniać w całej substancji.
Krytyczny stan
Stan krytyczny oddziela obszar stanu materii z rozwiniętą samopodtrzymującą się reakcją łańcuchową, oraz obszar, w którym ta reakcja jest w ogóle niemożliwa. Parametr ten charakteryzuje się równością liczby nowych obwodów i liczby możliwych przerw. Podobnie jak obecność wolnej cząstki nośnika, krytycznystan jest główną pozycją na takiej liście, jak „warunki realizacji jądrowej reakcji łańcuchowej”. O osiągnięciu tego stanu może decydować szereg możliwych czynników. Rozszczepienie jądra ciężkiego pierwiastka wzbudza tylko jeden neutron. W wyniku procesu, takiego jak reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego, powstaje więcej neutronów. Dlatego proces ten może wytworzyć reakcję rozgałęzioną, w której neutrony będą działać jako nośniki. W przypadku, gdy szybkość wychwytywania neutronów bez rozszczepienia lub ucieczki (szybkość strat) jest kompensowana szybkością namnażania cząstek nośnika, reakcja łańcuchowa będzie przebiegać w trybie stacjonarnym. Ta równość charakteryzuje mnożnik. W powyższym przypadku jest równy jeden. W energetyce jądrowej dzięki wprowadzeniu ujemnego sprzężenia zwrotnego między szybkością uwalniania energii a mnożnikiem możliwe jest sterowanie przebiegiem reakcji jądrowej. Jeśli ten współczynnik jest większy niż jeden, reakcja będzie się rozwijać wykładniczo. Niekontrolowane reakcje łańcuchowe są wykorzystywane w broni jądrowej.
Jądrowa reakcja łańcuchowa w energii
Reaktywność reaktora zależy od dużej liczby procesów zachodzących w jego rdzeniu. Wszystkie te wpływy określa tzw. współczynnik reaktywności. Wpływ zmian temperatury prętów grafitowych, chłodziw czy uranu na reaktywność reaktora oraz intensywność takiego procesu jak łańcuchowa reakcja jądrowa charakteryzuje współczynnik temperaturowy (dla chłodziwa, dla uranu, dla grafitu). Istnieją również charakterystyki zależne pod względem mocy, pod względem wskaźników barometrycznych, pod względem wskaźników pary. Aby utrzymać reakcję jądrową w reaktorze, konieczne jest przekształcenie niektórych pierwiastków w inne. Aby to zrobić, należy wziąć pod uwagę warunki przepływu jądrowej reakcji łańcuchowej - obecność substancji zdolnej do dzielenia się i uwalniania od siebie podczas rozpadu pewnej liczby cząstek elementarnych, co w rezultacie, spowoduje rozszczepienie pozostałych jąder. Jako taką substancję często stosuje się uran-238, uran-235, pluton-239. Podczas przechodzenia jądrowej reakcji łańcuchowej izotopy tych pierwiastków ulegną rozpadowi i utworzą dwie lub więcej innych substancji chemicznych. W tym procesie emitowane są tak zwane promienie „gamma”, następuje intensywne uwalnianie energii, powstają dwa lub trzy neutrony, zdolne do kontynuowania reakcji. Istnieją wolne i szybkie neutrony, ponieważ aby jądro atomu się rozpadło, cząstki te muszą lecieć z określoną prędkością.
