Теорията на относителността казва, че масата е специална форма на енергия. От това следва, че е възможно да се преобразува масата в енергия и енергията в маса. На вътреатомно ниво такива реакции протичат. По-специално, част от масата на самото атомно ядро може да се превърне в енергия. Това се случва по няколко начина. Първо, ядрото може да се разпадне на множество по-малки ядра, тази реакция се нарича "разпад". Второ, по-малките ядра могат лесно да се комбинират, за да направят по-голямо - това е реакция на синтез. Във Вселената подобни реакции са много чести. Достатъчно е да се каже, че реакцията на синтез е източник на енергия за звездите. Но реакцията на разпад се използва от човечеството в ядрените реактори, тъй като хората са се научили да контролират тези сложни процеси. Но какво е ядрена верижна реакция? Как да го управлявам?
Какво се случва в ядрото на атом
Ядрената верижна реакция е процес, който възниква, когато елементарни частици или ядра се сблъскат с други ядра. Защо "верига"? Това е набор от последователни единични ядрени реакции. В резултат на този процес настъпва промяна в квантовото състояние и нуклонния състав на първоначалното ядро, дори се появяват нови частици - продукти на реакцията. Ядрената верижна реакция, чиято физика позволява да се изследват механизмите на взаимодействие на ядрата с ядрата и с частиците, е основният метод за получаване на нови елементи и изотопи. За да разберете протичането на верижна реакция, първо трябва да се справите с единични.
Какво е необходимо за реакцията
За да се извърши такъв процес като ядрена верижна реакция, е необходимо частиците (ядро и нуклон, две ядра) да се сближат на разстояние от радиуса на силното взаимодействие (около един ферми). Ако разстоянията са големи, тогава взаимодействието на заредените частици ще бъде чисто кулоново. При ядрена реакция се спазват всички закони: запазване на енергията, импулс, импулс, барионен заряд. Ядрената верижна реакция се обозначава със символен набор a, b, c, d. Символът a обозначава оригиналното ядро, b входящата частица, c новата изходяща частица и d полученото ядро.
Реакционна енергия
Ядрената верижна реакция може да протече както с поглъщане, така и с освобождаване на енергия, която е равна на разликата в масите на частиците след реакцията и преди нея. Погълнатата енергия определя минималната кинетична енергия на сблъсъка,така наречения праг на ядрена реакция, при който тя може свободно да протича. Този праг зависи от частиците, участващи във взаимодействието и от техните характеристики. В началния етап всички частици са в предварително определено квантово състояние.
Реакция
Основният източник на заредени частици, които бомбардират ядрото, е ускорителят на частиците, който произвежда лъчи от протони, тежки йони и леки ядра. Бавните неутрони се получават чрез използването на ядрени реактори. За фиксиране на падащи заредени частици могат да се използват различни видове ядрени реакции, както синтез, така и разпад. Вероятността им зависи от параметрите на частиците, които се сблъскват. Тази вероятност е свързана с такава характеристика като напречното сечение на реакцията - стойността на ефективната площ, която характеризира ядрото като мишена за падащи частици и която е мярка за вероятността частицата и ядрото да влязат във взаимодействие. Ако в реакцията участват частици с ненулев спин, тогава напречното сечение директно зависи от тяхната ориентация. Тъй като спиновете на падащите частици не са напълно произволно ориентирани, а повече или по-малко подредени, всички корпускули ще бъдат поляризирани. Количествената характеристика на завъртанията на ориентирания лъч се описва от поляризационния вектор.
Механизъм за реакция
Какво е ядрена верижна реакция? Както вече споменахме, това е последователност от по-прости реакции. Характеристиките на падащата частица и нейното взаимодействие с ядрото зависят от масата, заряда,кинетична енергия. Взаимодействието се определя от степента на свобода на ядрата, които се възбуждат по време на сблъсъка. Получаването на контрол върху всички тези механизми позволява процес като контролирана ядрена верижна реакция.
Директни реакции
Ако заредена частица, която удря целевото ядро, само го докосне, тогава продължителността на сблъсъка ще бъде равна на разстоянието, необходимо за преодоляване на разстоянието от радиуса на ядрото. Такава ядрена реакция се нарича директна реакция. Обща характеристика за всички реакции от този тип е възбуждането на малък брой степени на свобода. При такъв процес, след първия сблъсък, частицата все още има достатъчно енергия, за да преодолее ядреното привличане. Например, такива взаимодействия като нееластично разсейване на неутрони, обмен на заряд и се отнасят до директно. Приносът на такива процеси към характеристиката, наречена "общо напречно сечение", е съвсем незначителен. Въпреки това, разпределението на продуктите от преминаването на директна ядрена реакция дава възможност да се определи вероятността за излизане от ъгъла на посоката на лъча, квантовите числа, селективността на населените състояния и да се определи тяхната структура..
Емисия преди равновесие
Ако частицата не напусне областта на ядрено взаимодействие след първия сблъсък, тогава тя ще бъде въвлечена в цяла каскада от последователни сблъсъци. Това всъщност е точно това, което се нарича ядрена верижна реакция. В резултат на тази ситуация кинетичната енергия на частицата се разпределя междусъставни части на ядрото. Състоянието на самото ядро постепенно ще стане много по-сложно. По време на този процес определен нуклон или цял клъстер (група нуклони) може да концентрира енергия, достатъчна за излъчването на този нуклон от ядрото. По-нататъшното отпускане ще доведе до образуването на статистическо равновесие и образуването на сложно ядро.
Верижни реакции
Какво е ядрена верижна реакция? Това е последователността на съставните му части. Тоест множество последователни единични ядрени реакции, причинени от заредени частици, се появяват като реакционни продукти в предишните стъпки. Какво е ядрена верижна реакция? Например, деленето на тежки ядра, когато множество събития на делене са инициирани от неутрони, получени по време на предишни разпада.
Характеристики на ядрена верижна реакция
Сред всички химични реакции, верижните реакции са широко използвани. Частиците с неизползвани връзки играят ролята на свободни атоми или радикали. При процес като ядрена верижна реакция, механизмът на възникването й се осигурява от неутрони, които нямат кулонова бариера и възбуждат ядрото при поглъщане. Ако необходимата частица се появи в средата, тогава тя предизвиква верига от последващи трансформации, които ще продължат, докато веригата се скъса поради загубата на частица носител.
Защо превозвачът е загубен
Има само две причини за загубата на частица носител на непрекъсната верига от реакции. Първият е абсорбцията на частицата без процес на емисиявтори. Второто е напускането на частицата отвъд границата на обема на веществото, което поддържа верижния процес.
Два вида процес
Ако във всеки период на верижната реакция се ражда само една частица носител, тогава този процес може да се нарече неразклонен. Не може да доведе до освобождаване на енергия в голям мащаб. Ако има много частици носители, тогава това се нарича разклонена реакция. Какво представлява ядрена верижна реакция с разклоняване? Една от вторичните частици, получени в предишния акт, ще продължи веригата, започната по-рано, докато останалите ще създадат нови реакции, които също ще се разклонят. Този процес ще се конкурира с процесите, водещи до прекъсването. Получената ситуация ще доведе до специфични критични и ограничаващи явления. Например, ако има повече прекъсвания, отколкото чисто нови вериги, тогава самоподдържането на реакцията ще бъде невъзможно. Дори ако се възбуди изкуствено чрез въвеждане на необходимия брой частици в дадена среда, процесът все пак ще се разпадне с времето (обикновено доста бързо). Ако броят на новите вериги надвиши броя на прекъсванията, тогава ядрена верижна реакция ще започне да се разпространява в цялото вещество.
Критично състояние
Критичното състояние разделя областта на състоянието на материята с развита самоподдържаща се верижна реакция и областта, където тази реакция изобщо е невъзможна. Този параметър се характеризира с равенство между броя на новите вериги и броя на възможните прекъсвания. Подобно на наличието на свободна частица носител, критичнотосъстоянието е основният елемент в такъв списък като „условия за осъществяване на верижна ядрена реакция“. Постигането на това състояние може да се определи от редица възможни фактори. Разделянето на ядрото на тежък елемент се възбужда само от един неутрон. В резултат на процес като верижна реакция на ядрено делене се произвеждат повече неутрони. Следователно този процес може да доведе до разклонена реакция, при която неутроните ще действат като носители. В случай, че скоростта на улавяне на неутрони без делене или изпускане (скорост на загуба) се компенсира от скоростта на размножаване на частиците носители, тогава верижната реакция ще протече в стационарен режим. Това равенство характеризира коефициента на умножение. В горния случай е равно на единица. В ядрената енергетика, поради въвеждането на отрицателна обратна връзка между скоростта на освобождаване на енергия и коефициента на умножение, е възможно да се контролира ходът на ядрена реакция. Ако този коефициент е по-голям от единица, тогава реакцията ще се развие експоненциално. В ядрените оръжия се използват неконтролирани верижни реакции.
Ядрено-верижна реакция в енергия
Реактивността на реактора се определя от голям брой процеси, които протичат в неговото ядро. Всички тези влияния се определят от така наречения коефициент на реактивност. Ефектът от промените в температурата на графитните пръти, охлаждащите течности или урана върху реактивността на реактора и интензивността на такъв процес като ядрена верижна реакция се характеризират с температурен коефициент (за охлаждаща течност, за уран, за графит). Има и зависими характеристики по отношение на мощността, по отношение на барометричните показатели, по отношение на показателите за пара. За да се поддържа ядрена реакция в реактор, е необходимо едни елементи да се преобразуват в други. За да направите това, е необходимо да се вземат предвид условията за протичане на ядрена верижна реакция - наличието на вещество, което е в състояние да раздели и освободи от себе си по време на разпадане определен брой елементарни частици, които в резултат, ще предизвика деленето на останалите ядра. Като такова вещество често се използват уран-238, уран-235, плутоний-239. По време на протичането на ядрена верижна реакция, изотопите на тези елементи ще се разпаднат и ще образуват две или повече други химикали. При този процес се излъчват така наречените "гама" лъчи, настъпва интензивно освобождаване на енергия, образуват се два или три неутрона, способни да продължат реакционните действия. Има бавни и бързи неутрони, защото за да се разпадне ядрото на атома, тези частици трябва да летят с определена скорост.
