Reliatyvumo teorija teigia, kad masė yra ypatinga energijos forma. Iš to seka, kad galima masę paversti energija, o energiją – mase. Intraatominiame lygmenyje tokios reakcijos vyksta. Visų pirma, dalis paties atomo branduolio masės gali virsti energija. Tai nutinka keliais būdais. Pirma, branduolys gali suirti į daugybę mažesnių branduolių, ši reakcija vadinama „skilimu“. Antra, mažesni branduoliai gali lengvai sujungti į didesnį – tai yra sintezės reakcija. Visatoje tokios reakcijos yra labai dažnos. Pakanka pasakyti, kad sintezės reakcija yra žvaigždžių energijos š altinis. Tačiau skilimo reakciją žmonija naudoja branduoliniuose reaktoriuose, nes žmonės išmoko valdyti šiuos sudėtingus procesus. Bet kas yra branduolinė grandininė reakcija? Kaip tai valdyti?
Kas vyksta atomo branduolyje
Branduolinė grandininė reakcija yra procesas, vykstantis elementarioms dalelėms arba branduoliams susidūrus su kitais branduoliais. Kodėl "grandinė"? Tai nuoseklių pavienių branduolinių reakcijų rinkinys. Dėl šio proceso pasikeičia pradinio branduolio kvantinė būsena ir nukleoninė sudėtis, atsiranda net naujų dalelių – reakcijos produktų. Branduolinė grandininė reakcija, kurios fizika leidžia ištirti branduolių sąveikos su branduoliais ir dalelėmis mechanizmus, yra pagrindinis būdas gauti naujų elementų ir izotopų. Norint suprasti grandininės reakcijos eigą, pirmiausia reikia susidoroti su pavieniais.
Ko reikia reakcijai
Norint atlikti tokį procesą kaip branduolinė grandininė reakcija, reikia suartinti daleles (branduolį ir nukleoną, du branduolius) stiprios sąveikos spindulio atstumu (apie vieno fermio). Jei atstumai dideli, tada įkrautų dalelių sąveika bus grynai kuloninė. Branduolinėje reakcijoje laikomasi visų dėsnių: energijos tvermės, impulso, impulso, bariono krūvio. Branduolinė grandininė reakcija žymima simbolių rinkiniu a, b, c, d. Simbolis a žymi pradinį branduolį, b – įeinančią dalelę, c – naują išeinančią dalelę ir d – gautą branduolį.
Reakcijos energija
Branduolinė grandininė reakcija gali vykti ir absorbuojant, ir išsiskiriant energijai, kuri yra lygi dalelių masių skirtumui po reakcijos ir prieš ją. Sugerta energija lemia minimalią susidūrimo kinetinę energiją,vadinamasis branduolinės reakcijos slenkstis, iki kurio ji gali laisvai vykti. Ši riba priklauso nuo sąveikoje dalyvaujančių dalelių ir jų savybių. Pradiniame etape visos dalelės yra iš anksto nustatytos kvantinės būsenos.
Reakcijos įgyvendinimas
Pagrindinis įkrautų dalelių, bombarduojančių branduolį, š altinis yra dalelių greitintuvas, kuris gamina protonų, sunkiųjų jonų ir lengvųjų branduolių pluoštus. Lėti neutronai gaunami naudojant branduolinius reaktorius. Norint nustatyti kritimo įkrautas daleles, gali būti naudojamos įvairių tipų branduolinės reakcijos, tiek sintezės, tiek skilimo. Jų tikimybė priklauso nuo susidūrusių dalelių parametrų. Ši tikimybė siejama su tokia charakteristika kaip reakcijos skerspjūvis – efektyviojo ploto reikšmė, kuri apibūdina branduolį kaip kritusių dalelių taikinį ir yra tikimybės, kad dalelė ir branduolys sąveikaus, matas. Jei reakcijoje dalyvauja dalelės, kurių sukimasis nulinis, tada skerspjūvis tiesiogiai priklauso nuo jų orientacijos. Kadangi krintančių dalelių sukiniai nėra visiškai atsitiktinai orientuoti, bet daugiau ar mažiau išdėstyti, visi korpusai bus poliarizuoti. Kiekybinė orientuoto pluošto sukinių charakteristika apibūdinama poliarizacijos vektoriumi.
Reakcijos mechanizmas
Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Kaip jau minėta, tai paprastesnių reakcijų seka. Kritančios dalelės charakteristikos ir jos sąveika su branduoliu priklauso nuo masės, krūvio,kinetinė energija. Sąveiką lemia branduolių, kurie susijaudina susidūrimo metu, laisvės laipsnis. Įgijus visų šių mechanizmų kontrolę, vyksta toks procesas kaip kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija.
Tiesioginės reakcijos
Jei įkraunama dalelė, atsitrenkusi į tikslinį branduolį, ją tik paliečia, tada susidūrimo trukmė bus lygi atstumui, reikalingam branduolio spindulio atstumui įveikti. Tokia branduolinė reakcija vadinama tiesiogine reakcija. Bendra visų šio tipo reakcijų savybė yra nedidelio skaičiaus laisvės laipsnių sužadinimas. Tokiame procese po pirmojo susidūrimo dalelė dar turi pakankamai energijos, kad įveiktų branduolinę trauką. Pavyzdžiui, tokios sąveikos kaip neelastinga neutronų sklaida, krūvių mainai ir tiesioginės. Tokių procesų indėlis į charakteristiką, vadinamą „bendras skerspjūvis“, yra gana nereikšmingas. Tačiau tiesioginės branduolinės reakcijos praėjimo sandaugų pasiskirstymas leidžia nustatyti ištrūkimo nuo pluošto krypties kampo tikimybę, kvantinius skaičius, apgyvendintų būsenų selektyvumą ir nustatyti jų struktūrą.
Išpusiausvyros emisija
Jei po pirmojo susidūrimo dalelė nepalieka branduolinės sąveikos srities, ji pateks į visą nuoseklių susidūrimų kaskadą. Tai iš tikrųjų yra tai, kas vadinama branduoline grandinine reakcija. Dėl šios situacijos dalelės kinetinė energija pasiskirsto tarpbranduolio sudedamosios dalys. Paties branduolio būsena pamažu taps daug sudėtingesnė. Šio proceso metu tam tikras nukleonas arba visas klasteris (nukleonų grupė) gali sutelkti energiją, kurios pakaktų šiam nukleonui išspinduliuoti iš branduolio. Tolesnis atsipalaidavimas lems statistinės pusiausvyros susidarymą ir junginio branduolio susidarymą.
Grandininės reakcijos
Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Tai yra jo sudedamųjų dalių seka. Tai yra, kelios iš eilės vienos branduolinės reakcijos, kurias sukelia įkrautos dalelės, ankstesniuose etapuose pasirodo kaip reakcijos produktai. Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Pavyzdžiui, sunkiųjų branduolių dalijimasis, kai daugybinius dalijimosi įvykius inicijuoja neutronai, gauti ankstesnių skilimų metu.
Branduolinės grandininės reakcijos ypatybės
Tarp visų cheminių reakcijų plačiai naudojamos grandininės reakcijos. Dalelės su nepanaudotomis jungtimis atlieka laisvųjų atomų arba radikalų vaidmenį. Tokiame procese kaip branduolinė grandininė reakcija, jos atsiradimo mechanizmą užtikrina neutronai, kurie neturi Kulono barjero ir sužadina branduolį absorbuodami. Jei reikiama dalelė atsiranda terpėje, tai sukelia vėlesnių virsmų grandinę, kuri tęsis tol, kol grandinė nutrūks dėl nešiklio dalelės praradimo.
Kodėl neteko vežėjo
Yra tik dvi priežastys, dėl kurių nepertraukiamos reakcijų grandinės dalelės neša. Pirmasis yra dalelių absorbcija be emisijos procesoantraeilis. Antrasis – dalelės pasitraukimas už grandinės procesą palaikančios medžiagos tūrio ribos.
Dviejų tipų procesas
Jei kiekviename grandininės reakcijos periode gimsta tik viena nešiklio dalelė, tai šis procesas gali būti vadinamas nešakotu. Tai negali sukelti didelio masto energijos išsiskyrimo. Jei yra daug nešiklio dalelių, tai vadinama šakota reakcija. Kas yra branduolinė grandininė reakcija su išsišakojimu? Viena iš antrinių dalelių, gautų ankstesniame veiksme, tęs anksčiau pradėtą grandinę, o kitos sukurs naujas reakcijas, kurios taip pat išsišakos. Šis procesas konkuruos su procesais, vedančiais į pertrauką. Susidariusi situacija sukels specifinius kritinius ir ribojančius reiškinius. Pavyzdžiui, jei yra daugiau pertraukų nei grynai naujų grandinių, tada savaiminis reakcijos išsilaikymas bus neįmanomas. Net jei jis sužadinamas dirbtinai, į tam tikrą terpę įvedant reikiamą dalelių skaičių, procesas laikui bėgant vis tiek sunyks (paprastai gana greitai). Jei naujų grandinių skaičius viršija pertrūkių skaičių, branduolinė grandininė reakcija pradės plisti visoje medžiagoje.
Kritinė būklė
Kritinė būsena atskiria materijos būsenos sritį, kurioje išsivysčiusi savaiminė grandininė reakcija, ir sritį, kurioje ši reakcija apskritai neįmanoma. Šiam parametrui būdinga lygybė tarp naujų grandinių skaičiaus ir galimų pertraukų skaičiaus. Kaip ir laisvos nešiklio dalelės buvimas, kritinisbūsena yra pagrindinis tokio sąrašo punktas kaip „branduolinės grandininės reakcijos įgyvendinimo sąlygos“. Šios būsenos pasiekimą gali lemti daugybė galimų veiksnių. Sunkaus elemento branduolio skilimą sužadina tik vienas neutronas. Dėl tokio proceso kaip branduolio dalijimosi grandininė reakcija susidaro daugiau neutronų. Todėl šis procesas gali sukelti šakotą reakciją, kurioje neutronai veiks kaip nešikliai. Tuo atveju, kai neutronų gaudymo greitis be dalijimosi ar ištrūkimo (praradimo greitis) kompensuojamas nešiklio dalelių dauginimosi greičiu, grandininė reakcija vyks stacionariu režimu. Ši lygybė apibūdina daugybos koeficientą. Pirmiau nurodytu atveju jis lygus vienetui. Branduolinėje energetikoje dėl neigiamo grįžtamojo ryšio tarp energijos išsiskyrimo greičio ir dauginimo koeficiento įvedimo galima kontroliuoti branduolinės reakcijos eigą. Jei šis koeficientas yra didesnis nei vienas, reakcija vystysis eksponentiškai. Branduoliniuose ginkluose naudojamos nekontroliuojamos grandininės reakcijos.
Branduolinė grandininė reakcija energetikoje
Reaktoriaus reaktyvumą lemia daugybė procesų, vykstančių jo šerdyje. Visas šias įtakas lemia vadinamasis reaktyvumo koeficientas. Grafito strypų, aušinimo skysčių ar urano temperatūros pokyčių įtaka reaktoriaus reaktyvumui ir tokio proceso kaip branduolinės grandininės reakcijos intensyvumas apibūdinamas temperatūros koeficientu (aušinimo skysčiui, uranui, grafitui). Taip pat yra priklausomų charakteristikų pagal galią, pagal barometrinius rodiklius, pagal garo rodiklius. Norint palaikyti branduolinę reakciją reaktoriuje, vienus elementus reikia paversti kitais. Norėdami tai padaryti, būtina atsižvelgti į branduolinės grandininės reakcijos tekėjimo sąlygas - tai, kad yra medžiaga, kuri skilimo metu gali pasidalyti ir išskirti iš savęs tam tikrą skaičių elementariųjų dalelių, kurios dėl to, sukels likusių branduolių skilimą. Kaip tokia medžiaga dažnai naudojamas uranas-238, uranas-235, plutonis-239. Vykstant branduolinei grandininei reakcijai, šių elementų izotopai suirs ir sudarys dvi ar daugiau kitų cheminių medžiagų. Šiame procese skleidžiami vadinamieji „gama“spinduliai, intensyviai išsiskiria energija, susidaro du ar trys neutronai, galintys tęsti reakcijos veiksmus. Yra lėti ir greiti neutronai, nes tam, kad atomo branduolys suirtų, šios dalelės turi skristi tam tikru greičiu.
