Relativitetsteorin säger att massa är en speciell form av energi. Det följer att det är möjligt att omvandla massa till energi och energi till massa. På intraatomär nivå sker sådana reaktioner. I synnerhet kan en del av massan av själva atomkärnan mycket väl förvandlas till energi. Detta sker på flera sätt. För det första kan kärnan sönderfalla till ett antal mindre kärnor, denna reaktion kallas "förfall". För det andra kan mindre kärnor lätt kombineras för att göra en större - detta är en fusionsreaktion. I universum är sådana reaktioner mycket vanliga. Det räcker med att säga att fusionsreaktionen är energikällan för stjärnor. Men sönderfallsreaktionen används av mänskligheten i kärnreaktorer, eftersom människor har lärt sig att kontrollera dessa komplexa processer. Men vad är en kärnkedjereaktion? Hur hanterar man det?
Vad händer i en atoms kärna
En kärnkedjereaktion är en process som uppstår när elementära partiklar eller kärnor kolliderar med andra kärnor. Varför "kedja"? Detta är en uppsättning på varandra följande enstaka kärnreaktioner. Som ett resultat av denna process inträffar en förändring i kvanttillståndet och nukleonsammansättningen av den ursprungliga kärnan, till och med nya partiklar uppstår - reaktionsprodukter. Kärnkedjereaktionen, vars fysik gör det möjligt att studera mekanismerna för interaktion mellan kärnor och partiklar, är den huvudsakliga metoden för att erhålla nya element och isotoper. För att förstå flödet av en kedjereaktion måste man först ta itu med enstaka sådana.
Vad som behövs för reaktionen
För att genomföra en sådan process som en kärnkedjereaktion, är det nödvändigt att föra partiklar (en kärna och en nukleon, två kärnor) närmare varandra på ett avstånd från den starka interaktionsradien (cirka en fermi). Om avstånden är stora, kommer samspelet mellan laddade partiklar att vara rent Coulomb. I en kärnreaktion iakttas alla lagar: bevarande av energi, rörelsemängd, rörelsemängd, baryonladdning. En kärnkedjereaktion betecknas med symboluppsättningen a, b, c, d. Symbolen a betecknar den ursprungliga kärnan, b den inkommande partikeln, c den nya utgående partikeln och d den resulterande kärnan.
Reaktionsenergi
En kärnkedjereaktion kan ske både med absorption och med frigöring av energi, vilket är lika med skillnaden i partikelmassorna efter reaktionen och före den. Den absorberade energin bestämmer den minsta kinetiska energin för kollisionen,den så kallade tröskeln för en kärnreaktion, vid vilken den fritt kan fortsätta. Denna tröskel beror på partiklarna som är involverade i interaktionen och på deras egenskaper. I det inledande skedet är alla partiklar i ett förutbestämt kvanttillstånd.
Reaktionsimplementering
Den huvudsakliga källan till laddade partiklar som bombarderar kärnan är partikelacceleratorn, som producerar strålar av protoner, tunga joner och lätta kärnor. Långsamma neutroner erhålls genom användning av kärnreaktorer. För att fixera infallande laddade partiklar kan olika typer av kärnreaktioner, både fusion och sönderfall, användas. Deras sannolikhet beror på parametrarna för de partiklar som kolliderar. Denna sannolikhet är förknippad med en sådan egenskap som reaktionstvärsnittet - värdet av det effektiva området, som karaktäriserar kärnan som mål för infallande partiklar och som är ett mått på sannolikheten att partikeln och kärnan kommer att samverka. Om partiklar med ett spinn som inte är noll deltar i reaktionen, beror tvärsnittet direkt på deras orientering. Eftersom de infallande partiklarnas spinn inte är helt slumpmässigt orienterade, utan mer eller mindre ordnade, kommer alla blodkroppar att polariseras. Den kvantitativa egenskapen för de orienterade strålsnurren beskrivs av polarisationsvektorn.
Reaktionsmekanism
Vad är en kärnkedjereaktion? Som redan nämnts är detta en sekvens av enklare reaktioner. Den infallande partikelns egenskaper och dess interaktion med kärnan beror på massan, laddningen,rörelseenergi. Interaktionen bestäms av graden av frihet hos kärnorna, som exciteras under kollisionen. Att få kontroll över alla dessa mekanismer möjliggör en process som en kontrollerad kärnkedjereaktion.
Direkta reaktioner
Om en laddad partikel som träffar målkärnan bara vidrör den, kommer kollisionens varaktighet att vara lika med det avstånd som krävs för att övervinna avståndet till kärnradien. En sådan kärnreaktion kallas en direkt reaktion. En gemensam egenskap för alla reaktioner av denna typ är exciteringen av ett litet antal frihetsgrader. I en sådan process, efter den första kollisionen, har partikeln fortfarande tillräckligt med energi för att övervinna den nukleära attraktionen. Till exempel sådana interaktioner som oelastisk spridning av neutroner, laddningsutbyte och hänvisar till direkt. Bidraget från sådana processer till den egenskap som kallas "tot alt tvärsnitt" är ganska försumbar. Emellertid gör fördelningen av produkterna från passagen av en direkt kärnreaktion det möjligt att bestämma sannolikheten för flykt från strålens riktningsvinkel, kvantantal, selektiviteten för de befolkade tillstånden och bestämma deras struktur.
Förjämviktsutsläpp
Om partikeln inte lämnar området för kärnväxelverkan efter den första kollisionen, kommer den att vara involverad i en hel kaskad av på varandra följande kollisioner. Detta är faktiskt bara vad som kallas en kärnkedjereaktion. Som ett resultat av denna situation fördelas partikelns kinetiska energi mellanbeståndsdelar av kärnan. Själva kärnans tillstånd kommer gradvis att bli mycket mer komplicerat. Under denna process kan en viss nukleon eller ett helt kluster (en grupp av nukleoner) koncentrera energi som är tillräcklig för emission av denna nukleon från kärnan. Ytterligare avslappning kommer att leda till bildandet av statistisk jämvikt och bildandet av en sammansatt kärna.
Kedjereaktioner
Vad är en kärnkedjereaktion? Detta är sekvensen av dess beståndsdelar. Det vill säga att flera successiva enstaka kärnreaktioner orsakade av laddade partiklar uppträder som reaktionsprodukter i de föregående stegen. Vad är en kärnkedjereaktion? Till exempel fission av tunga kärnor, när multipla fissionshändelser initieras av neutroner som erhållits under tidigare sönderfall.
Funktioner i en kärnkedjereaktion
Bland alla kemiska reaktioner är kedjereaktioner flitigt använda. Partiklar med oanvända bindningar spelar rollen som fria atomer eller radikaler. I en process som en kärnkedjereaktion tillhandahålls mekanismen för dess förekomst av neutroner, som inte har en Coulomb-barriär och exciterar kärnan vid absorption. Om den nödvändiga partikeln dyker upp i mediet, orsakar den en kedja av efterföljande transformationer som kommer att fortsätta tills kedjan brister på grund av förlusten av bärarpartikeln.
Varför har operatören förlorats
Det finns bara två orsaker till förlusten av bärarpartikeln i en kontinuerlig kedja av reaktioner. Den första är absorptionen av partikeln utan emissionsprocessensekundär. Den andra är att partikeln lämnar gränsen för volymen av ämnet som stöder kedjeprocessen.
Två typer av processer
Om bara en enda bärarpartikel föds i varje period av kedjereaktionen, kan denna process kallas ogrenad. Det kan inte leda till att energi frigörs i stor skala. Om det finns många bärarpartiklar kallas detta en grenad reaktion. Vad är en kärnkedjereaktion med förgrening? En av de sekundära partiklarna som erhölls i föregående akt kommer att fortsätta kedjan som startade tidigare, medan de andra kommer att skapa nya reaktioner som också kommer att förgrenas. Denna process kommer att konkurrera med de processer som leder till pausen. Den resulterande situationen kommer att ge upphov till specifika kritiska och begränsande fenomen. Till exempel, om det finns fler avbrott än helt nya kedjor, kommer självuppehållande av reaktionen att vara omöjligt. Även om den exciteras artificiellt genom att införa det erforderliga antalet partiklar i ett givet medium, kommer processen fortfarande att avta med tiden (vanligtvis ganska snabbt). Om antalet nya kedjor överstiger antalet avbrott, kommer en kärnkedjereaktion att börja spridas genom ämnet.
Kritiskt tillstånd
Det kritiska tillståndet separerar området för materiens tillstånd med en utvecklad självuppehållande kedjereaktion, och området där denna reaktion är omöjlig alls. Denna parameter kännetecknas av likheten mellan antalet nya kretsar och antalet möjliga avbrott. Liksom närvaron av en fri bärarpartikel, den kritiskastaten är huvudpunkten i en sådan lista som "villkor för genomförandet av en kärnkedjereaktion." Uppnåendet av detta tillstånd kan bestämmas av ett antal möjliga faktorer. Klyvningen av kärnan i ett tungt grundämne exciteras av bara en neutron. Som ett resultat av en process som en kärnklyvningskedjereaktion produceras fler neutroner. Därför kan denna process producera en grenad reaktion, där neutroner kommer att fungera som bärare. I det fall när hastigheten för neutronfångning utan klyvning eller flykt (förlusthastighet) kompenseras av multiplikationshastigheten för bärarpartiklar, kommer kedjereaktionen att fortsätta i ett stationärt läge. Denna jämlikhet kännetecknar multiplikationsfaktorn. I ovanstående fall är det lika med en. Inom kärnkraft, på grund av införandet av en negativ återkoppling mellan hastigheten för energifrisättning och multiplikationsfaktorn, är det möjligt att kontrollera förloppet av en kärnreaktion. Om denna koefficient är större än en, kommer reaktionen att utvecklas exponentiellt. Okontrollerade kedjereaktioner används i kärnvapen.
Kärnkedjereaktion i energi
Reaktiviteten hos en reaktor bestäms av ett stort antal processer som sker i dess kärna. Alla dessa influenser bestäms av den så kallade reaktivitetskoefficienten. Effekten av förändringar i temperaturen hos grafitstavar, kylmedel eller uran på reaktorns reaktivitet och intensiteten hos en sådan process som en kärnkedjereaktion kännetecknas av en temperaturkoefficient (för kylvätska, för uran, för grafit). Det finns också beroende egenskaper i termer av kraft, i termer av barometriska indikatorer, i termer av ångindikatorer. För att upprätthålla en kärnreaktion i en reaktor är det nödvändigt att omvandla vissa grundämnen till andra. För att göra detta är det nödvändigt att ta hänsyn till villkoren för flödet av en kärnkedjereaktion - närvaron av ett ämne som kan dela sig och frigöra från sig själv under sönderfallet ett visst antal elementära partiklar, vilket som ett resultat, kommer att orsaka klyvning av de återstående kärnorna. Som ett sådant ämne används ofta uran-238, uranium-235, plutonium-239. Under passagen av en kärnkedjereaktion kommer dessa grundämnens isotoper att sönderfalla och bilda två eller flera andra kemikalier. I denna process emitteras de så kallade "gamma"-strålarna, en intensiv frisättning av energi sker, två eller tre neutroner bildas, som kan fortsätta reaktionshandlingarna. Det finns långsamma och snabba neutroner, för för att kärnan i en atom ska sönderfalla måste dessa partiklar flyga med en viss hastighet.
