Teória relativity hovorí, že hmotnosť je špeciálna forma energie. Z toho vyplýva, že je možné premieňať hmotu na energiu a energiu na hmotu. Na vnútroatómovej úrovni takéto reakcie prebiehajú. Najmä časť hmoty samotného atómového jadra sa môže premeniť na energiu. To sa deje niekoľkými spôsobmi. Po prvé, jadro sa môže rozpadnúť na množstvo menších jadier, táto reakcia sa nazýva "rozpad". Po druhé, menšie jadrá sa môžu ľahko spojiť, aby vytvorili väčšie - ide o fúznu reakciu. Vo vesmíre sú takéto reakcie veľmi bežné. Stačí povedať, že fúzna reakcia je zdrojom energie pre hviezdy. Ale rozkladovú reakciu používa ľudstvo v jadrových reaktoroch, pretože ľudia sa naučili tieto zložité procesy ovládať. Ale čo je jadrová reťazová reakcia? Ako to spravovať?
Čo sa deje v jadre atómu
Jadrová reťazová reakcia je proces, ktorý nastáva, keď sa elementárne častice alebo jadrá zrazia s inými jadrami. Prečo "reťaz"? Ide o súbor po sebe nasledujúcich jednotlivých jadrových reakcií. V dôsledku tohto procesu nastáva zmena kvantového stavu a nukleónového zloženia pôvodného jadra, dokonca vznikajú nové častice – produkty reakcie. Jadrová reťazová reakcia, ktorej fyzika umožňuje študovať mechanizmy interakcie jadier s jadrami a s časticami, je hlavnou metódou získavania nových prvkov a izotopov. Aby sme pochopili tok reťazovej reakcie, musíme sa najprv zaoberať jednotlivými reakciami.
Čo je potrebné na reakciu
Na uskutočnenie takého procesu, akým je jadrová reťazová reakcia, je potrebné priblížiť častice (jadro a nukleón, dve jadrá) k sebe na vzdialenosť polomeru silnej interakcie (asi jedna fermia). Ak sú vzdialenosti veľké, potom interakcia nabitých častíc bude čisto coulombovská. Pri jadrovej reakcii sa dodržiavajú všetky zákony: zachovanie energie, hybnosť, hybnosť, baryónový náboj. Jadrová reťazová reakcia sa označuje súborom symbolov a, b, c, d. Symbol a označuje pôvodné jadro, b prichádzajúcu časticu, c novú odchádzajúcu časticu a d výsledné jadro.
Reakčná energia
Jadrová reťazová reakcia môže prebiehať s absorpciou aj s uvoľňovaním energie, ktorá sa rovná rozdielu v hmotnosti častíc po reakcii a pred ňou. Absorbovaná energia určuje minimálnu kinetickú energiu zrážky,takzvaný prah jadrovej reakcie, pri ktorom môže voľne prebiehať. Tento prah závisí od častíc zapojených do interakcie a od ich charakteristík. V počiatočnom štádiu sú všetky častice vo vopred určenom kvantovom stave.
Implementácia reakcie
Hlavným zdrojom nabitých častíc, ktoré bombardujú jadro, je urýchľovač častíc, ktorý produkuje zväzky protónov, ťažkých iónov a ľahkých jadier. Pomalé neutróny sa získavajú pomocou jadrových reaktorov. Na fixáciu dopadajúcich nabitých častíc možno použiť rôzne typy jadrových reakcií, fúzie aj rozpadu. Ich pravdepodobnosť závisí od parametrov častíc, ktoré sa zrazia. Táto pravdepodobnosť je spojená s takou charakteristikou, ako je reakčný prierez – hodnota efektívnej plochy, ktorá charakterizuje jadro ako cieľ pre dopadajúce častice a ktorá je mierou pravdepodobnosti, že častica a jadro vstúpia do interakcie. Ak sa reakcie zúčastňujú častice s nenulovým spinom, potom ich prierez priamo závisí od ich orientácie. Keďže spiny dopadajúcich častíc nie sú úplne náhodne orientované, ale viac-menej usporiadané, všetky častice budú polarizované. Kvantitatívna charakteristika rotácie orientovaného lúča je opísaná polarizačným vektorom.
Reakčný mechanizmus
Čo je jadrová reťazová reakcia? Ako už bolo spomenuté, ide o sled jednoduchších reakcií. Charakteristiky dopadajúcej častice a jej interakcia s jadrom závisia od hmotnosti, náboja,Kinetická energia. Interakcia je určená stupňom voľnosti jadier, ktoré sú počas zrážky excitované. Získanie kontroly nad všetkými týmito mechanizmami umožňuje proces, akým je riadená jadrová reťazová reakcia.
Priame reakcie
Ak sa nabitá častica, ktorá zasiahne cieľové jadro, ho iba dotkne, trvanie zrážky sa bude rovnať vzdialenosti potrebnej na prekonanie vzdialenosti polomeru jadra. Takáto jadrová reakcia sa nazýva priama reakcia. Spoločnou charakteristikou všetkých reakcií tohto typu je budenie malého počtu stupňov voľnosti. V takomto procese má častica po prvej zrážke stále dostatok energie na to, aby prekonala jadrovú príťažlivosť. Napríklad také interakcie, ako je nepružný rozptyl neutrónov, výmena náboja, a odkazujú na priame. Príspevok takýchto procesov k charakteristike nazývanej "celkový prierez" je celkom zanedbateľný. Rozloženie produktov prechodu priamej jadrovej reakcie však umožňuje určiť pravdepodobnosť úniku z uhla smeru lúča, kvantové čísla, selektivitu osídlených stavov a určiť ich štruktúru.
Pred-rovnovážna emisia
Ak častica po prvej zrážke neopustí oblasť jadrovej interakcie, bude zapojená do celej kaskády po sebe nasledujúcich zrážok. Toto je vlastne len to, čo sa nazýva jadrová reťazová reakcia. V dôsledku tejto situácie je kinetická energia častice rozdelená medzizákladné časti jadra. Samotný stav jadra sa postupne výrazne skomplikuje. Počas tohto procesu môže určitý nukleón alebo celý zhluk (skupina nukleónov) sústrediť energiu dostatočnú na emisiu tohto nukleónu z jadra. Ďalšia relaxácia povedie k vytvoreniu štatistickej rovnováhy a vytvoreniu zloženého jadra.
Reťazové reakcie
Čo je jadrová reťazová reakcia? Toto je postupnosť jeho častí. To znamená, že viaceré po sebe idúce jednotlivé jadrové reakcie spôsobené nabitými časticami sa javia ako reakčné produkty v predchádzajúcich krokoch. Čo je jadrová reťazová reakcia? Napríklad štiepenie ťažkých jadier, keď viaceré štiepne udalosti iniciujú neutróny získané počas predchádzajúcich rozpadov.
Funkcie jadrovej reťazovej reakcie
Zo všetkých chemických reakcií sa široko používajú reťazové reakcie. Častice s nevyužitými väzbami zohrávajú úlohu voľných atómov alebo radikálov. V procese, akým je jadrová reťazová reakcia, mechanizmus jej výskytu zabezpečujú neutróny, ktoré nemajú Coulombovu bariéru a pri absorpcii excitujú jadro. Ak sa potrebná častica objaví v médiu, spôsobí to reťaz následných transformácií, ktoré budú pokračovať, kým sa reťazec nepretrhne v dôsledku straty nosnej častice.
Prečo sa stratil operátor
Sú len dva dôvody straty nosnej častice v kontinuálnom reťazci reakcií. Prvým je absorpcia častice bez procesu emisiesekundárne. Druhým je odchod častice za hranicu objemu látky, ktorá podporuje reťazový proces.
Dva typy procesov
Ak sa v každom období reťazovej reakcie zrodí iba jedna nosná častica, potom tento proces možno nazvať nerozvetveným. Nemôže viesť k uvoľneniu energie vo veľkom meradle. Ak existuje veľa nosných častíc, potom sa to nazýva rozvetvená reakcia. Čo je jadrová reťazová reakcia s rozvetvením? Jedna zo sekundárnych častíc získaná v predchádzajúcom akte bude pokračovať v reťazci začatom skôr, zatiaľ čo ostatné vytvoria nové reakcie, ktoré sa tiež rozvetvia. Tento proces bude súťažiť s procesmi vedúcimi k prerušeniu. Výsledná situácia vyvolá špecifické kritické a limitujúce javy. Napríklad, ak je viac zlomov ako čisto nových reťazcov, potom nebude možné samoudržanie reakcie. Dokonca aj keď je excitovaný umelo zavedením požadovaného počtu častíc do daného média, proces sa stále časom rozpadne (zvyčajne pomerne rýchlo). Ak počet nových reťazcov presiahne počet prerušení, jadrová reťazová reakcia sa začne šíriť po celej látke.
Kritický stav
Kritický stav oddeľuje oblasť stavu hmoty s rozvinutou samoudržiavacou reťazovou reakciou a oblasť, kde je táto reakcia vôbec nemožná. Tento parameter je charakterizovaný rovnosťou medzi počtom nových okruhov a počtom možných prerušení. Rovnako ako prítomnosť voľnej nosnej častice je kritickáštát je hlavnou položkou v takom zozname ako „podmienky pre realizáciu jadrovej reťazovej reakcie“. O dosiahnutí tohto stavu môže rozhodovať množstvo možných faktorov. Štiepenie jadra ťažkého prvku je excitované len jedným neutrónom. V dôsledku procesu, akým je reťazová reakcia jadrového štiepenia, vzniká viac neutrónov. Preto tento proces môže produkovať rozvetvenú reakciu, kde neutróny budú pôsobiť ako nosiče. V prípade, že rýchlosť záchytu neutrónu bez štiepenia alebo úniku (miera strát) je kompenzovaná rýchlosťou množenia nosných častíc, reťazová reakcia bude prebiehať v stacionárnom režime. Táto rovnosť charakterizuje multiplikačný faktor. Vo vyššie uvedenom prípade sa rovná jednej. V jadrovej energetike je vďaka zavedeniu negatívnej spätnej väzby medzi rýchlosťou uvoľňovania energie a multiplikačným faktorom možné riadiť priebeh jadrovej reakcie. Ak je tento koeficient väčší ako jedna, reakcia sa bude vyvíjať exponenciálne. V jadrových zbraniach sa používajú nekontrolované reťazové reakcie.
Jadrová reťazová reakcia v energii
Reaktivita reaktora je určená veľkým počtom procesov, ktoré prebiehajú v jeho jadre. Všetky tieto vplyvy určuje takzvaný koeficient reaktivity. Vplyv zmien teploty grafitových tyčí, chladív alebo uránu na reaktivitu reaktora a intenzitu takého procesu, akým je jadrová reťazová reakcia, charakterizuje teplotný koeficient (pre chladivo, pre urán, pre grafit). Existujú aj závislé charakteristiky z hľadiska výkonu, z hľadiska barometrických ukazovateľov, z hľadiska ukazovateľov pary. Na udržanie jadrovej reakcie v reaktore je potrebné premeniť niektoré prvky na iné. Na to je potrebné vziať do úvahy podmienky toku jadrovej reťazovej reakcie - prítomnosť látky, ktorá je schopná rozdeliť a uvoľniť zo seba počas rozpadu určitý počet elementárnych častíc, ktoré v dôsledku, spôsobí štiepenie zostávajúcich jadier. Ako taká látka sa často používa urán-238, urán-235, plutónium-239. Počas prechodu jadrovej reťazovej reakcie sa izotopy týchto prvkov rozložia a vytvoria dve alebo viac ďalších chemikálií. V tomto procese sa vyžarujú takzvané "gama" lúče, dochádza k intenzívnemu uvoľňovaniu energie, vytvárajú sa dva alebo tri neutróny schopné pokračovať v reakčných dejoch. Existujú pomalé a rýchle neutróny, pretože na to, aby sa jadro atómu rozpadlo, musia tieto častice letieť určitou rýchlosťou.
