Teorija relativnosti pravi, da je masa posebna oblika energije. Iz tega sledi, da je mogoče pretvoriti maso v energijo in energijo v maso. Na intraatomski ravni se takšne reakcije odvijajo. Zlasti nekaj mase atomskega jedra se lahko spremeni v energijo. To se zgodi na več načinov. Prvič, jedro lahko razpade na več manjših jeder, ta reakcija se imenuje "razpad". Drugič, manjša jedra se zlahka združijo v večje - to je fuzijska reakcija. V vesolju so takšne reakcije zelo pogoste. Dovolj je reči, da je fuzijska reakcija vir energije za zvezde. Toda reakcijo razpada človeštvo uporablja v jedrskih reaktorjih, saj so se ljudje naučili nadzorovati te zapletene procese. Toda kaj je jedrska verižna reakcija? Kako to upravljati?
Kaj se zgodi v jedru atoma
Jedrska verižna reakcija je proces, ki se pojavi, ko se elementarni delci ali jedra trčijo z drugimi jedri. Zakaj "veriga"? To je niz zaporednih posameznih jedrskih reakcij. Kot rezultat tega procesa pride do spremembe kvantnega stanja in nukleonske sestave prvotnega jedra, pojavijo se celo novi delci - produkti reakcije. Jedrska verižna reakcija, katere fizika omogoča preučevanje mehanizmov interakcije jeder z jedri in z delci, je glavna metoda za pridobivanje novih elementov in izotopov. Da bi razumeli potek verižne reakcije, je treba najprej obravnavati posamezne.
Kaj je potrebno za reakcijo
Za izvedbo takega procesa, kot je jedrska verižna reakcija, je treba delce (jedro in nukleon, dve jedri) zbližati na razdaljo polmera močne interakcije (približno en fermi). Če so razdalje velike, bo interakcija nabitih delcev zgolj kulonska. Pri jedrski reakciji se upoštevajo vsi zakoni: ohranjanje energije, zagon, zagon, barionski naboj. Jedrska verižna reakcija je označena z nizom simbolov a, b, c, d. Simbol a označuje prvotno jedro, b vhodni delec, c nov izhodni delec in d nastalo jedro.
reakcijska energija
Jedrska verižna reakcija lahko poteka tako z absorpcijo kot s sproščanjem energije, ki je enaka razliki v masi delcev po reakciji in pred njo. Absorbirana energija določa najmanjšo kinetično energijo trka,tako imenovani prag jedrske reakcije, pri katerem lahko prosto poteka. Ta prag je odvisen od delcev, ki sodelujejo pri interakciji, in od njihovih značilnosti. V začetni fazi so vsi delci v vnaprej določenem kvantnem stanju.
Izvedba reakcije
Glavni vir nabitih delcev, ki bombardirajo jedro, je pospeševalnik delcev, ki proizvaja žarke protonov, težkih ionov in lahkih jeder. Počasni nevtroni se pridobivajo z uporabo jedrskih reaktorjev. Za fiksiranje vpadnih nabitih delcev se lahko uporabijo različne vrste jedrskih reakcij, tako fuzije kot razpadanja. Njihova verjetnost je odvisna od parametrov trkajočih delcev. Ta verjetnost je povezana s takšno značilnostjo, kot je reakcijski presek - vrednost efektivne površine, ki označuje jedro kot tarčo vpadnih delcev in ki je merilo verjetnosti, da bosta delec in jedro vstopila v interakcijo. Če v reakciji sodelujejo delci z neničelnim spinom, potem je presek neposredno odvisen od njihove orientacije. Ker vrti vpadnih delcev niso povsem naključno orientirani, ampak bolj ali manj urejeni, bodo vse korpuskule polarizirane. Kvantitativno značilnost vrtenja usmerjenega žarka je opisana s polarizacijskim vektorjem.
reakcijski mehanizem
Kaj je jedrska verižna reakcija? Kot že omenjeno, gre za zaporedje enostavnejših reakcij. Značilnosti vpadnega delca in njegova interakcija z jedrom so odvisne od mase, naboja,kinetična energija. Interakcija je določena s stopnjo svobode jeder, ki se med trkom vzbujajo. Pridobivanje nadzora nad vsemi temi mehanizmi omogoča proces, kot je nadzorovana jedrska verižna reakcija.
neposredne reakcije
Če se nabit delec, ki zadene ciljno jedro, le dotakne, potem bo trajanje trka enako razdalji, ki je potrebna za premagovanje razdalje polmera jedra. Takšna jedrska reakcija se imenuje neposredna reakcija. Skupna značilnost vseh tovrstnih reakcij je vzbujanje majhnega števila stopenj svobode. V takem procesu ima delec po prvem trku še dovolj energije, da premaga jedrsko privlačnost. Na primer, takšne interakcije, kot so neelastično sipanje nevtronov, izmenjava naboja in se nanašajo na neposredno. Prispevek takih procesov k karakteristiki, imenovani "skupni presek", je precej zanemarljiv. Vendar pa porazdelitev produktov prehoda neposredne jedrske reakcije omogoča določitev verjetnosti izhoda iz kota smeri žarka, kvantnih števil, selektivnosti naseljenih stanj in določitev njihove strukture.
Pred-ravnotežna emisija
Če delec po prvem trku ne zapusti območja jedrske interakcije, bo vpleten v celo kaskado zaporednih trkov. To je pravzaprav samo tisto, kar imenujemo jedrska verižna reakcija. Zaradi te situacije se kinetična energija delca porazdeli medsestavni deli jedra. Stanje samega jedra bo postopoma postalo veliko bolj zapleteno. Med tem procesom lahko določen nukleon ali cela kopica (skupina nukleonov) koncentrira energijo, ki zadostuje za emisijo tega nukleona iz jedra. Nadaljnja sprostitev bo vodila k oblikovanju statističnega ravnotežja in tvorbi sestavljenega jedra.
verižne reakcije
Kaj je jedrska verižna reakcija? To je zaporedje njegovih sestavnih delov. To pomeni, da se več zaporednih posameznih jedrskih reakcij, ki jih povzročajo nabiti delci, pojavljajo kot reakcijski produkti v prejšnjih korakih. Kaj je jedrska verižna reakcija? Na primer, cepitev težkih jeder, ko več dogodkov cepitve sprožijo nevtroni, pridobljeni med prejšnjimi razpadi.
Lastnosti jedrske verižne reakcije
Med vsemi kemičnimi reakcijami se pogosto uporabljajo verižne reakcije. Delci z neizkoriščenimi vezmi igrajo vlogo prostih atomov ali radikalov. V procesu, kot je jedrska verižna reakcija, mehanizem njenega nastanka zagotavljajo nevtroni, ki nimajo Coulombove pregrade in ob absorpciji vzbujajo jedro. Če se v mediju pojavi potreben delec, potem povzroči verigo poznejših transformacij, ki se bodo nadaljevale, dokler se veriga ne prekine zaradi izgube nosilnega delca.
Zakaj je prevoznik izgubljen
Obstajata samo dva razloga za izgubo nosilnega delca neprekinjene verige reakcij. Prvi je absorpcija delca brez procesa emisijesekundarno. Drugi je odmik delca preko meje prostornine snovi, ki podpira verižni proces.
Dve vrsti postopka
Če se v vsakem obdobju verižne reakcije rodi samo en nosilni delec, potem lahko ta proces imenujemo nerazvejen. Ne more povzročiti sproščanja energije v velikem obsegu. Če je nosilnih delcev veliko, se to imenuje razvejana reakcija. Kaj je jedrska verižna reakcija z razvejanjem? Eden od sekundarnih delcev, pridobljenih v prejšnjem dejanju, bo nadaljeval prej začeto verigo, drugi pa bodo ustvarili nove reakcije, ki se bodo tudi razvejale. Ta proces bo tekmoval s procesi, ki vodijo do preloma. Nastala situacija bo povzročila posebne kritične in omejujoče pojave. Na primer, če je več prelomov kot čisto novih verig, bo samovzdrževanje reakcije nemogoče. Tudi če ga umetno vzbudimo z vnosom zahtevanega števila delcev v dani medij, bo proces s časom še vedno propadel (običajno precej hitro). Če število novih verig preseže število prelomov, se bo jedrska verižna reakcija začela širiti po snovi.
Kritično stanje
Kritično stanje loči področje agregatnega stanja z razvito samovzdrževajočo verižno reakcijo in področje, kjer je ta reakcija sploh nemogoča. Za ta parameter je značilna enakost med številom novih vezij in številom možnih prekinitev. Tako kot prisotnost prostega nosilnega delca je kritičnadržava je glavna postavka na takšnem seznamu, kot so "pogoji za izvedbo jedrske verižne reakcije". Doseganje tega stanja je mogoče določiti s številnimi možnimi dejavniki. Cepitev jedra težkega elementa vzbudi samo en nevtron. Kot rezultat procesa, kot je verižna reakcija jedrske cepitve, nastane več nevtronov. Zato lahko ta proces povzroči razvejano reakcijo, kjer bodo nevtroni delovali kot nosilci. V primeru, ko je hitrost zajetja nevtronov brez cepitve ali uhajanja (stopnja izgube) kompenzirana s hitrostjo množenja nosilnih delcev, bo verižna reakcija potekala v stacionarnem načinu. Ta enakost označuje faktor množenja. V zgornjem primeru je enaka ena. V jedrski energiji je zaradi uvedbe negativne povratne informacije med hitrostjo sproščanja energije in faktorjem razmnoževanja mogoče nadzorovati potek jedrske reakcije. Če je ta koeficient večji od ena, se bo reakcija razvila eksponentno. V jedrskem orožju se uporabljajo nenadzorovane verižne reakcije.
Jedrska verižna reakcija v energiji
Reaktivnost reaktorja določa veliko število procesov, ki se odvijajo v njegovem jedru. Vse te vplive določa tako imenovani koeficient reaktivnosti. Učinek sprememb temperature grafitnih palic, hladilnih sredstev ali urana na reaktivnost reaktorja in intenzivnost takšnega procesa, kot je jedrska verižna reakcija, je značilen s temperaturnim koeficientom (za hladilno sredstvo, za uran, za grafit). Obstajajo tudi odvisne značilnosti v smislu moči, glede na barometrične kazalnike, glede na kazalnike pare. Za vzdrževanje jedrske reakcije v reaktorju je potrebno nekatere elemente pretvoriti v druge. Da bi to naredili, je treba upoštevati pogoje za potek jedrske verižne reakcije - prisotnost snovi, ki je sposobna med razpadom razdeliti in sprostiti iz sebe določeno število osnovnih delcev, ki posledično, bo povzročilo cepitev preostalih jeder. Kot taka snov se pogosto uporabljajo uran-238, uran-235, plutonij-239. Med potekom jedrske verižne reakcije bodo izotopi teh elementov razpadli in tvorili dve ali več drugih kemikalij. V tem procesu se oddajajo tako imenovani "gama" žarki, pride do intenzivnega sproščanja energije, nastanejo dva ali trije nevtroni, ki lahko nadaljujejo reakcijska dejanja. Obstajajo počasni in hitri nevtroni, saj morajo ti delci leteti z določeno hitrostjo, da bi atomsko jedro razpadlo.
