Teorija relativnosti kaže da je masa poseban oblik energije. Iz toga slijedi da je moguće pretvoriti masu u energiju i energiju u masu. Na intraatomskom nivou takve reakcije se odvijaju. Konkretno, dio mase samog atomskog jezgra može se pretvoriti u energiju. To se dešava na nekoliko načina. Prvo, jezgro se može raspasti na niz manjih jezgara, ova reakcija se naziva "raspad". Drugo, manje jezgre se lako mogu kombinovati da bi napravile veće - 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 ove složene procese. Ali šta je nuklearna lančana reakcija? Kako to upravljati?
Šta se dešava u jezgru atoma
Nuklearna lančana reakcija je proces koji se javlja kada se elementarne čestice ili jezgra sudare sa drugim jezgrama. Zašto "lanac"? Ovo je skup uzastopnih pojedinačnih nuklearnih reakcija. Kao rezultat ovog procesa dolazi do promjene kvantnog stanja i nukleonskog sastava originalnog jezgra, čak se pojavljuju i nove čestice - produkti reakcije. Nuklearna lančana reakcija, čija fizika omogućava proučavanje mehanizama interakcije jezgara sa jezgrama i sa česticama, glavna je metoda za dobijanje novih elemenata i izotopa. Da bi se razumio tok lančane reakcije, prvo se mora pozabaviti pojedinačnim.
Šta je potrebno za reakciju
Da bi se izveo takav proces kao što je nuklearna lančana reakcija, potrebno je približiti čestice (jezgro i nukleon, dva jezgra) na udaljenosti od radijusa jake interakcije (oko jedan fermi). Ako su udaljenosti velike, tada će interakcija nabijenih čestica biti čisto kulonska. U nuklearnoj reakciji poštuju se svi zakoni: očuvanje energije, impuls, impuls, barionski naboj. Nuklearna lančana reakcija se označava skupom simbola a, b, c, d. Simbol a označava originalno jezgro, b dolazeću česticu, c novu odlazeću česticu, a d rezultirajuće jezgro.
Energija reakcije
Nuklearna lančana reakcija može se odvijati i sa apsorpcijom i sa 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 zavisi od čestica uključenih u interakciju i od njihovih karakteristika. U početnoj fazi, sve čestice su u unaprijed određenom kvantnom stanju.
Provedba reakcije
Glavni izvor naelektrisanih čestica koje bombarduju jezgro je akcelerator čestica, koji proizvodi snopove protona, teških jona i lakih jezgara. Spori neutroni se dobijaju upotrebom nuklearnih reaktora. Za fiksiranje incidentnih nabijenih čestica, mogu se koristiti različite vrste nuklearnih reakcija, i fuzije i raspadanja. Njihova vjerovatnoća zavisi od parametara čestica koje se sudaraju. Ova vjerovatnoća je povezana sa takvom karakteristikom kao što je presjek reakcije - vrijednost efektivne površine, koja karakteriše jezgro kao metu za upadne čestice i koja je mjera vjerovatnoće da će čestica i jezgro ući u interakciju. Ako u reakciji učestvuju čestice sa spinom različitom od nule, tada poprečni presjek direktno zavisi od njihove orijentacije. Budući da spinovi upadnih čestica nisu potpuno nasumično orijentirani, već manje-više uređeni, sve će korpuskule biti polarizirane. Kvantitativna karakteristika okretanja usmjerenog snopa opisana je vektorom polarizacije.
Mehanizam reakcije
Šta je nuklearna lančana reakcija? Kao što je već spomenuto, ovo je niz jednostavnijih reakcija. Karakteristike upadne čestice i njena interakcija sa jezgrom zavise od mase, naboja,kinetička energija. Interakcija je određena stepenom slobode jezgara, koja su pobuđena tokom sudara. Sticanje kontrole nad svim ovim mehanizmima omogućava proces kao što je kontrolisana nuklearna lančana reakcija.
Direktne reakcije
Ako nabijena čestica koja udari u ciljno jezgro samo ga dodirne, tada će trajanje sudara biti jednako udaljenosti potrebnoj da se savlada udaljenost radijusa jezgra. Takva nuklearna reakcija naziva se direktna 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 savlada nuklearnu privlačnost. Na primjer, takve interakcije kao što su neelastično raspršivanje neutrona, izmjena naboja i odnose se na direktne. Doprinos ovakvih procesa karakteristici zvanoj "ukupni poprečni presjek" je prilično zanemarljiv. Međutim, distribucija proizvoda prolaska direktne nuklearne reakcije omogućava određivanje vjerojatnosti izlaska iz kuta smjera zraka, kvantnih brojeva, selektivnosti naseljenih stanja i određivanje njihove strukture..
Pre-ravnotežna 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 izmeđusastavni delovi jezgra. Stanje samog jezgra postupno će postati mnogo komplikovanije. Tokom ovog procesa, određeni nukleon ili čitav klaster (grupa nukleona) može koncentrirati energiju dovoljnu za emisiju ovog nukleona iz jezgra. Dalje opuštanje će dovesti do formiranja statističke ravnoteže i formiranja složenog jezgra.
lančane reakcije
Šta je nuklearna lančana reakcija? Ovo je redoslijed njegovih sastavnih dijelova. To jest, više uzastopnih pojedinačnih nuklearnih reakcija uzrokovanih nabijenim česticama pojavljuju se kao produkti reakcije u prethodnim koracima. Šta je nuklearna lančana reakcija? Na primjer, fisija teških jezgara, kada su višestruki događaji fisije inicirani neutronima dobijenim tokom prethodnih raspada.
Obilježja nuklearne lančane reakcije
Među svim hemijskim 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 Kulonovsku barijeru i pobuđuju jezgro 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 nosač izgubljen
Postoje samo dva razloga za gubitak čestice nosača kontinuiranog lanca reakcija. Prvi je apsorpcija čestice bez procesa emisijesekundarno. Drugi je odlazak čestice preko granice zapremine supstance koja podržava lančani proces.
Dvije vrste procesa
Ako se u svakom periodu lančane reakcije rodi samo jedna čestica nosača, onda se ovaj proces može nazvati nerazgranatim. To ne može dovesti do oslobađanja energije u velikim razmjerima. Ako postoji mnogo čestica nosača, onda se to naziva razgranatom reakcijom. Šta je nuklearna lančana reakcija sa grananjem? Jedna od sekundarnih čestica dobijenih u prethodnom činu nastaviće ranije započeti lanac, dok će ostale stvoriti nove reakcije koje će se takođe granati. Ovaj proces će se takmičiti sa 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 veštački pobuđuje unošenjem potrebnog broja čestica u dati medij, proces će i dalje propadati s vremenom (obično prilično brzo). Ako broj novih lanaca premašuje broj prekida, tada će se nuklearna lančana reakcija početi širiti po cijeloj tvari.
Kritično stanje
Kritično stanje odvaja oblast stanja materije sa razvijenom samoodrživom lančanom reakcijom, i oblast u kojoj je ova reakcija uopšte nemoguća. Ovaj parametar karakterizira jednakost između broja novih kola i broja mogućih prekida. Kao i prisustvo slobodne čestice nosioca, kritičnodržava je glavna stavka na takvoj listi kao što su "uslovi za sprovođenje nuklearne lančane reakcije". Postizanje ovog stanja može se odrediti brojnim mogućim faktorima. Fisiju jezgra 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 nosioci. 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 režimu. 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 umnožavanja, moguće je kontrolirati tok nuklearne reakcije. Ako je ovaj koeficijent veći od jedan, tada će se reakcija razvijati eksponencijalno. Nekontrolisane lančane reakcije se koriste u nuklearnom oružju.
Nuklearna lančana reakcija u energiji
Reaktivnost reaktora određena je velikim brojem procesa koji se odvijaju u njegovom jezgru. Svi ovi uticaji određeni su takozvanim koeficijentom reaktivnosti. Utjecaj promjene 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 zavisne karakteristike u smislu snage, u smislu barometarskih pokazatelja, u smislu indikatora pare. Da bi se održala nuklearna reakcija u reaktoru, potrebno je neke elemente pretvoriti u druge. Da biste to učinili, potrebno je uzeti u obzir uvjete za tok nuklearne lančane reakcije - prisutnost tvari koja je u stanju podijeliti i osloboditi iz sebe tokom raspadanja određeni broj elementarnih čestica, koje kao rezultat, će izazvati fisiju preostalih jezgara. Kao takva supstanca često se koriste uranijum-238, uranijum-235, plutonijum-239. Tokom prolaska nuklearne lančane reakcije, izotopi ovih elemenata će se raspasti i formirati dvije ili više drugih kemikalija. U tom procesu se emituju takozvani "gama" zraci, dolazi do intenzivnog oslobađanja energije, formiraju se dva ili tri neutrona, sposobni da nastave radnje reakcije. Postoje spori i brzi neutroni, jer da bi se jezgro atoma raspalo, te čestice moraju letjeti određenom brzinom.
