Reacția nucleară a lanțului. Condiții pentru realizarea reacției în lanț nucleare

Teoria relativității spune că masa este o formă specială de energie. Din aceasta rezultă că este posibilă transformarea masei în energie și energie în masă. La nivel intra-atomic, au loc astfel de reacții. În special, o parte din masa atomului nucleu în sine se poate transforma în energie. Acest lucru se întâmplă în mai multe moduri. În primul rând, nucleul se poate dezintegra într-un număr de nuclee mai mici, această reacție se numește "decădere". În al doilea rând, nucleele mai mici se pot conecta cu ușurință, în scopul de a obține unul mai mare, este o reacție de sinteză. În univers, astfel de reacții sunt foarte frecvente. Este suficient să spunem că reacția de sinteză este sursa de energie pentru stele. Dar reacția de dezintegrare este folosită de omenire reactori nucleari,

Ce se întâmplă în nucleul unui atom

Reacția nucleară a lanțului este un proces care apare atunci când particulele elementare sau nucleele se ciocnesc cu alte nuclee. De ce "lanț"? Acesta este un set de reacții nucleare unice succesive. Ca urmare a acestui proces, există o schimbare a stării cuantice și a compoziției nucleonice în nucleul inițial, chiar și particule noi - produse de reacție. Reacția nucleară a lanțului, a cărei fizică face posibilă investigarea mecanismelor de interacțiune a nucleelor ​​cu nuclei și cu particule, este principala metodă de obținere a unor noi elemente și izotopi. Pentru a înțelege cursul reacției în lanț, trebuie să ne ocupăm în primul rând de unicul.

Ce ai nevoie pentru o reacție

Pentru a realiza un astfel de proces ca o reacție nucleară în lanț, este necesar să aproximăm particulele (nucleul și nucleonul, două nuclee) la o distanță de raza interacțiunii puternice (aproximativ un Fermi). Dacă distanțele sunt mari, atunci interacțiunea dintre particulele încărcate va fi pur Coulomb. În reacția nucleară, se observă toate legile: conservarea energiei, impulsul, impulsul, încărcarea baryonului. Reacția nucleară a lanțului este notată printr-un set de simboluri a, b, c, d. Simbolul a denotă nucleul inițial, b particula incidentă, c noua particulă emisă, iar d denotă nucleul rezultat.

Energia reacției

O reacție nucleară în lanț poate avea loc atât cu absorbție cât și cu eliberarea de energie, care este egală cu diferența dintre masele particulelor după reacție și până la aceasta. Energia absorbită determină energia cinetică minimă a coliziunii, așa-numitul prag al reacției nucleare, în care aceasta poate circula liber. Acest prag depinde de particulele care participă la interacțiune și de caracteristicile acestora. În stadiul inițial, toate particulele se află într-o stare cuantică predeterminată.

reacționând

Principala sursă de particule încărcate cu care nucleul este bombardat este acceleratorul de particule încărcate, care dă grinzi de protoni, ioni grei și nuclee ușoare. Neutronii încetini se obțin prin utilizarea reactoarelor nucleare. Diferite tipuri de reacții nucleare pot fi folosite pentru fixarea particulelor încărcate, atât în ​​sinteză, cât și în dezintegrare. Probabilitatea acestora depinde de parametrii particulelor care se ciocnesc. Din această probabilitate este asociată o astfel de caracteristică, secțiunea transversală a reacției - valoarea suprafeței efective care caracterizează nucleul ca țintă pentru particulele incidente și care este o măsură a probabilității particulelor care intră în nucleu și interacționează. Dacă în reacție sunt implicate particule cu rotire nonzero, atunci secțiunea transversală depinde direct de orientarea lor. Deoarece rotirile particulelor incidente nu sunt orientate complet haotic, ci mai mult sau mai putin ordonate, toate corpusculurile vor fi polarizate. Caracteristica cantitativă a rotirilor orientate ale fasciculului este descrisă de vectorul de polarizare.

Mecanism de reacție

Ce este o reacție nucleară în lanț? După cum am menționat deja, aceasta este o secvență de reacții mai simple. Caracteristicile particulelor incidente și interacțiunea lor cu nucleul depind de masa, încărcătura, energia cinetică. Interacțiunea este determinată de gradul de libertate al nucleelor, care sunt excitate în coliziune. Obținerea controlului asupra tuturor acestor mecanisme face posibilă realizarea unui astfel de proces ca o reacție nucleară cu lanț controlat.

Reacții directe

Dacă o particulă încărcată care atinge un nucleu țintă atinge numai aceasta, durata coliziunii va fi aceeași cu cea necesară pentru a depăși raza nucleului. Această reacție nucleară se numește directă. O caracteristică comună pentru toate reacțiile de acest tip este excitarea unui număr mic de grade de libertate. Într-un astfel de proces, după prima coliziune, particula are încă suficientă energie pentru a depăși atracția nucleară. De exemplu, astfel de interacțiuni precum împrăștierea neutronică a neutronilor, schimbul de sarcină și relațiile cu interacțiunile directe. Contribuția unor astfel de procese la caracteristica numită "secțiune transversală totală" este destul de slabă. Cu toate acestea, distribuția produselor de trecere a unei reacții nucleare directe face posibilă determinarea probabilității de emisie din unghiul direcției fasciculului, numerele cuantice, selectivitatea stărilor populate și determinarea structurii lor.

Emisie de pre-echilibru

Dacă o particulă nu părăsește regiunea de interacțiune nucleară după prima coliziune, ea va fi implicată într-o întreagă cascadă de coliziuni succesive. Aceasta este de fapt ceea ce se numește o reacție nucleară în lanț. Ca urmare a acestei situații, energia cinetică a particulei este distribuită între părțile componente ale nucleului. Starea nucleului va deveni treptat mai complicată. În timpul acestui proces, la un anumit nucleon sau la un grup întreg (un grup de nucleoni), energia suficientă pentru emiterea acestui nucleon din nucleu poate fi concentrată. Relaxarea ulterioară va duce la formarea unui echilibru statistic și la formarea unui nucleu compus.

Reacții în lanț

Ce este o reacție nucleară în lanț? Aceasta este secvența părților sale componente. Adică, multiple reacții nucleare succesive multiple, cauzate de particulele încărcate, apar ca produse de reacție în etapele anterioare. Ce se numește o reacție în lanț nucleară? De exemplu, fisiunea nucleelor ​​grele, atunci când evenimentele de fisiune multiple sunt inițiate de neutronii obținuți în dezintegrarea anterioară.

Caracteristicile reacției nucleare în lanț

Dintre toate reacțiile chimice, propagarea lanțului a devenit foarte răspândită. Particulele cu legături neutilizate servesc drept atomi sau radicali liberi. Într-un astfel de proces ca o reacție nucleară în lanț, mecanismul fluxului său este asigurat de neutroni care nu au o barieră Coulomb și excită nucleul după absorbție. Dacă apare o anumită particulă în mediu, atunci provoacă un lanț de transformări ulterioare, care va continua până când lanțul se va rupe datorită pierderii particulelor purtătoare.

De ce transportatorul este pierdut

Există numai două motive pentru pierderea particulelor purtătoare dintr-un lanț continuu de reacții. Prima este absorbția particulei fără procesul secundar de emisie. Al doilea este plecarea particulei dincolo de limita volumului de materie care susține procesul lantului.

Două tipuri de procese

Dacă în fiecare perioadă a reacției în lanț se naște o singură particulă purtătoare, atunci acest proces poate fi numit ne-fragmentat. Nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă. Dacă există multe particule purtătoare, aceasta se numește o reacție ramificată. Ce este o reacție nucleară în lanț cu ramificație? Una dintre particulele secundare obținute în actul precedent va continua lanțul început mai devreme, dar altele vor crea noi reacții care se vor ramifica, de asemenea. Procesul care duce la rupere va concura cu acest proces. Situația rezultată va genera anumite fenomene critice și limitative. De exemplu, dacă există mai multe stânci decât lanțurile pur noi, atunci auto-susținerea reacției va fi imposibilă. Chiar dacă o exciti în mod artificial prin introducerea cantității potrivite de particule într-un anumit mediu, procesul va dispărea în timp (de obicei destul de repede). Dacă numărul lanțurilor noi depășește numărul de stânci, atunci reacția nucleară a lanțului începe să se răspândească pe toată substanța.

Starea critică

Starea critică separă starea de materie de o reacție în lanț dezvoltată de sine stătătoare, iar regiunea în care această reacție este imposibilă deloc. Acest parametru este caracterizat de egalitatea dintre numărul lanțurilor noi și numărul de pauze posibile. Ca și prezența unei particule purtătoare libere, starea critică este elementul principal pe o asemenea listă ca "condițiile pentru realizarea unei reacții nucleare în lanț". Realizarea acestei stări poate fi determinată de un număr de factori posibili. Fissionul nucleului unui element greu este excitat de un singur neutron. Ca urmare a unui astfel de proces ca reacția fisiunii nucleare în lanț, apar mai multe neutroni. În consecință, acest proces poate produce o reacție ramificată, în care purtătorii de neutroni vor acționa ca purtători. În cazul în care viteza de captare a neutronilor fără fisiune sau plecări (rata de pierdere) va fi compensată de rata de multiplicare a particulelor purtătoare, reacția în lanț va continua într-o stare de echilibru. Această ecuație caracterizează factorul de multiplicare. În cazul de mai sus, este egal cu unul. În energia nucleară prin introducere feedback negativ între rata de eliberare a energiei și factorul de multiplicare, este posibil să se controleze cursul reacției nucleare. Dacă acest coeficient este mai mare decât unul, atunci reacția se va dezvolta exponențial. Reacțiile în lanț neautorizate sunt folosite în armele nucleare.

Reacția nucleară a lanțului în domeniul energetic

Reactivitatea reactorului este determinată de un număr mare de procese care apar în miezul său. Toate aceste influențe sunt determinate de așa-numitul coeficient de reactivitate. Influența modificărilor de temperatură de tije din grafit, coolants sau reactivitatea uraniului din reactor și intensitatea procesului de percolare, cum ar fi o reacție în lanț nuclear, caracterizat prin coeficientul de temperatură (pentru lichidul de răcire, uraniu, pe grafit). De asemenea, există caracteristici dependente de putere, indicatori barometrici, pentru indicatorii de aburi. Pentru a menține o reacție nucleară într-un reactor, este necesar să transformăm unele elemente în altele. Pentru aceasta este necesar să se ia în considerare condițiile de curgere ale reacției în lanț nuclear - prezența unei substanțe care este capabil să împartă și să se aloce din dezintegrarea unui număr de particule elementare, care, în consecință, va determina restul miezurilor diviziune. Ca o astfel de substanță este utilizată adesea uraniu-238, uraniu-235, plutoniu-239. În timpul trecerii lanțului nuclear izotopilor de reacție ale acestor elemente se vor dezintegra și să formeze două sau mai multe alte substanțe chimice. În acest proces, se emite așa-numitele "raze" gamma, se produce o eliberare intensă de energie, se generează două sau trei neutroni care pot continua evenimentele de reacție. Distingeți între neutronii lenți și neutronii rapizi, deoarece, pentru ca nucleul unui atom să se dezintegreze, aceste particule trebuie să zboare cu o anumită rată.