A relativitáselmélet szerint a tömeg az energia különleges formája. Ebből következik, hogy lehetséges a tömeget energiává, az energiát pedig tömeggé alakítani. Az atomon belüli szinten ilyen reakciók mennek végbe. Különösen maga az atommag tömegének egy része átalakulhat energiává. Ez többféleképpen történik. Először is, az atommag számos kisebb magra bomlik, ezt a reakciót "bomlásnak" nevezik. Másodszor, a kisebb atommagok könnyen egyesülhetnek egy nagyobb atommá - ez egy fúziós reakció. Az univerzumban az ilyen reakciók nagyon gyakoriak. Elég azt mondani, hogy a fúziós reakció a csillagok energiaforrása. De a bomlási reakciót az emberiség használja az atomreaktorokban, mivel az emberek megtanulták irányítani ezeket a bonyolult folyamatokat. De mi az a nukleáris láncreakció? Hogyan kell kezelni?
Mi történik az atommagban
A nukleáris láncreakció olyan folyamat, amely akkor megy végbe, amikor elemi részecskék vagy atommagok ütköznek más atommagokkal. Miért "lánc"? Ez egy sor egymást követő egyetlen magreakció. A folyamat eredményeként megváltozik az eredeti mag kvantumállapota és nukleonösszetétele, sőt új részecskék is megjelennek - reakciótermékek. A nukleáris láncreakció, amelynek fizikája lehetővé teszi az atommagok és a részecskék közötti kölcsönhatási mechanizmusok tanulmányozását, az új elemek és izotópok előállításának fő módszere. A láncreakció folyamatának megértéséhez először az egyes reakciókkal kell foglalkozni.
Mi kell a reakcióhoz
Ahhoz, hogy olyan folyamatot lehessen végrehajtani, mint a nukleáris láncreakció, a részecskéket (egy atommagot és egy nukleont, két atommagot) az erős kölcsönhatási sugár távolságára (körülbelül egy fermi) kell egymáshoz közelebb hozni.. Ha a távolságok nagyok, akkor a töltött részecskék kölcsönhatása tisztán Coulomb lesz. A magreakció során minden törvényt betartanak: energiamegmaradás, lendület, lendület, bariontöltés. A nukleáris láncreakciót az a, b, c, d szimbólumkészlet jelöli. Az a szimbólum az eredeti atommagot, a b a bejövő részecskét, a c az új kimenő részecskét, a d pedig a kapott magot jelöli.
Reakcióenergia
Nukleáris láncreakció lejátszódhat abszorpcióval és energia felszabadulásával is, ami megegyezik a reakció utáni és előtti részecskék tömegének különbségével. Az elnyelt energia határozza meg az ütközés minimális kinetikus energiáját,a magreakció úgynevezett küszöbértéke, amelynél szabadon lezajlik. Ez a küszöb a kölcsönhatásban részt vevő részecskéktől és azok jellemzőitől függ. A kezdeti szakaszban minden részecske előre meghatározott kvantumállapotban van.
Reakció megvalósítása
Az atommagot bombázó töltött részecskék fő forrása a részecskegyorsító, amely protonokat, nehézionokat és könnyű atommagokat állít elő. A lassú neutronokat atomreaktorok segítségével állítják elő. A beeső töltésű részecskék rögzítésére különféle típusú magreakciókat lehet alkalmazni, mind a fúziót, mind a bomlást. Valószínűségük az ütköző részecskék paramétereitől függ. Ez a valószínűség olyan jellemzőhöz kapcsolódik, mint a reakciókeresztmetszet - az effektív terület értéke, amely az atommagot a beeső részecskék célpontjaként jellemzi, és amely annak valószínűsége, hogy a részecske és az atommag kölcsönhatásba lép. Ha a reakcióban nem nulla spinű részecskék vesznek részt, akkor a keresztmetszet közvetlenül függ az orientációjuktól. Mivel a beeső részecskék spinjei nem teljesen véletlenszerűen orientáltak, hanem többé-kevésbé rendezettek, ezért minden sejttest polarizált lesz. Az orientált nyaláb spinek mennyiségi jellemzőit a polarizációs vektor írja le.
Reakció mechanizmus
Mi az a nukleáris láncreakció? Mint már említettük, ez egyszerűbb reakciók sorozata. A beeső részecske jellemzői és az atommaggal való kölcsönhatása a tömegtől, töltéstől,kinetikus energia. A kölcsönhatást az ütközés során gerjesztett magok szabadsági foka határozza meg. Mindezen mechanizmusok feletti irányítás megszerzése olyan folyamatokat tesz lehetővé, mint például a szabályozott nukleáris láncreakció.
Közvetlen reakciók
Ha egy töltött részecske, amely eléri a célmagot, csak megérinti azt, akkor az ütközés időtartama megegyezik a magsugár távolságának leküzdéséhez szükséges távolsággal. Az ilyen magreakciót közvetlen reakciónak nevezzük. Az összes ilyen típusú reakció közös jellemzője a kis számú szabadsági fok gerjesztése. Egy ilyen folyamatban az első ütközés után a részecske még elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy legyőzze a magvonzást. Például az ilyen kölcsönhatások, mint a neutronok rugalmatlan szórása, a töltéscsere és a közvetlenre utalnak. Az ilyen folyamatok hozzájárulása a „teljes keresztmetszetnek” nevezett jellemzőhöz meglehetősen elhanyagolható. A közvetlen magreakció áthaladásának termékeinek eloszlása azonban lehetővé teszi a szökés valószínűségének meghatározását a nyaláb irányszögéből, a kvantumszámokból, a benépesült állapotok szelektivitását és szerkezetének meghatározását.
Egyensúly előtti kibocsátás
Ha a részecske az első ütközés után nem hagyja el a nukleáris kölcsönhatás tartományát, akkor az egymást követő ütközések egész kaszkádjában vesz részt. Valójában ez az, amit nukleáris láncreakciónak neveznek. Ennek eredményeként a részecske mozgási energiája megoszlik közötta mag alkotó részei. Maga az atommag állapota fokozatosan sokkal bonyolultabb lesz. E folyamat során egy bizonyos nukleon vagy egy egész klaszter (nukleonok egy csoportja) képes olyan energiát koncentrálni, amely elegendő ahhoz, hogy ezt a nukleont kibocsássa a magból. A további lazítás a statisztikai egyensúly kialakulásához és egy összetett mag kialakulásához vezet.
Láncreakciók
Mi az a nukleáris láncreakció? Ez az alkotórészeinek sorrendje. Ez azt jelenti, hogy az előző lépésekben a töltött részecskék által okozott többszörös, egymást követő egyetlen magreakció reakciótermékként jelenik meg. Mi az a nukleáris láncreakció? Például nehéz atommagok hasadása, amikor többszörös hasadási eseményt indítanak el a korábbi bomlások során nyert neutronok.
A nukleáris láncreakció jellemzői
Az összes kémiai reakció közül a láncreakciókat széles körben alkalmazzák. A fel nem használt kötésekkel rendelkező részecskék szabad atomok vagy gyökök szerepét töltik be. Egy olyan folyamatban, mint például a nukleáris láncreakció, előfordulásának mechanizmusát a neutronok biztosítják, amelyeknek nincs Coulomb-gáta, és abszorpciókor gerjesztik az atommagot. Ha a szükséges részecske megjelenik a közegben, akkor az egymást követő átalakulások láncolatát idézi elő, amely addig tart, amíg a lánc megszakad a hordozó részecske elvesztése miatt.
Miért veszett el a szolgáltató?
Csak két oka van annak, hogy a reakciók folyamatos láncolata során elveszik a hordozórészecske. Az első a részecske abszorpciója az emisszió folyamata nélkülmásodlagos. A második a részecske távozása a láncfolyamatot támogató anyag térfogatának határán túl.
Kétféle folyamat
Ha a láncreakció minden szakaszában csak egyetlen hordozó részecske születik, akkor ezt a folyamatot elágazás nélkülinek nevezhetjük. Nem vezethet nagymértékű energia felszabadulásához. Ha sok hordozó részecske van, akkor ezt elágazó reakciónak nevezzük. Mi az elágazással járó nukleáris láncreakció? Az előző felvonásban kapott másodlagos részecskék egyike a korábban elkezdett láncot folytatja, míg a többi új reakciókat hoz létre, amelyek szintén elágaznak. Ez a folyamat versenyezni fog a töréshez vezető folyamatokkal. Az így kialakuló helyzet sajátos kritikus és korlátozó jelenségeket eredményez. Például, ha több törés van, mint tisztán új lánc, akkor a reakció önfenntartása lehetetlen lesz. Még ha mesterségesen is gerjesztik a kívánt számú részecskék adott közegbe való bejuttatásával, a folyamat idővel (általában meglehetősen gyorsan) lecsökken. Ha az új láncok száma meghaladja a megszakítások számát, akkor egy nukleáris láncreakció kezd el terjedni az egész anyagban.
Kritikus állapot
A kritikus állapot elválasztja a fejlett önfenntartó láncreakcióval rendelkező anyagállapot területét, és azt a területet, ahol ez a reakció egyáltalán nem lehetséges. Ezt a paramétert az új áramkörök száma és a lehetséges megszakítások száma közötti egyenlőség jellemzi. Mint egy szabad hordozó részecske jelenléte, a kritikusAz állapot a fő elem egy ilyen listában, mint "a nukleáris láncreakció végrehajtásának feltételei". Ennek az állapotnak az elérését számos lehetséges tényező határozhatja meg. A nehéz elem magjának hasadását egyetlen neutron gerjeszti. Egy olyan folyamat eredményeként, mint például a maghasadási láncreakció, több neutron keletkezik. Ezért ez a folyamat elágazó reakciót válthat ki, ahol a neutronok hordozóként működnek. Abban az esetben, ha a neutronok hasadás vagy szökés nélküli befogásának sebességét (vesztési sebesség) a hordozórészecskék szaporodási sebessége kompenzálja, akkor a láncreakció stacioner üzemmódban megy végbe. Ez az egyenlőség jellemzi a szorzótényezőt. A fenti esetben egyenlő eggyel. Az atomenergiában az energiafelszabadulás sebessége és a szorzótényező közötti negatív visszacsatolás bevezetése miatt lehetőség nyílik a magreakció lefolyásának szabályozására. Ha ez az együttható nagyobb egynél, akkor a reakció exponenciálisan fejlődik. A nukleáris fegyverekben ellenőrizetlen láncreakciókat alkalmaznak.
Nukleáris láncreakció az energiában
Egy reaktor reakcióképességét a reaktormagjában végbemenő számos folyamat határozza meg. Mindezeket a hatásokat az úgynevezett reaktivitási együttható határozza meg. A grafitrudak, hűtőközegek vagy urán hőmérsékletváltozásának a reaktor reakcióképességére gyakorolt hatását és az ilyen folyamatok intenzitását, mint a nukleáris láncreakció, hőmérsékleti együtthatóval (hűtőközegnél, uránnál, grafitnál) jellemzik. Vannak függő jellemzők is a teljesítmény tekintetében, a légköri mutatók tekintetében, a gőzmutatók tekintetében. A nukleáris reakció fenntartásához a reaktorban bizonyos elemeket másokká kell átalakítani. Ehhez figyelembe kell venni a nukleáris láncreakció lefolyásának feltételeit - egy olyan anyag jelenlétét, amely képes megosztani és felszabadítani magából a bomlás során bizonyos számú elemi részecskét, amely ennek eredményeként, a megmaradt magok hasadását okozza. Ilyen anyagként gyakran használják az urán-238-at, az urán-235-öt és a plutónium-239-et. A nukleáris láncreakció során ezeknek az elemeknek az izotópjai lebomlanak, és két vagy több más vegyi anyagot képeznek. Ebben a folyamatban úgynevezett „gamma” sugarak bocsátanak ki, intenzív energiafelszabadulás következik be, két-három neutron képződik, amelyek képesek a reakciót folytatni. Vannak lassú és gyors neutronok, mert ahhoz, hogy az atommag szétessen, ezeknek a részecskéknek egy bizonyos sebességgel kell repülniük.
