Η θεωρία της σχετικότητας λέει ότι η μάζα είναι μια ειδική μορφή ενέργειας. Από αυτό προκύπτει ότι είναι δυνατή η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια και της ενέργειας σε μάζα. Σε ενδοατομικό επίπεδο, τέτοιες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα. Συγκεκριμένα, μέρος της μάζας του ίδιου του ατομικού πυρήνα μπορεί κάλλιστα να μετατραπεί σε ενέργεια. Αυτό συμβαίνει με διάφορους τρόπους. Πρώτον, ο πυρήνας μπορεί να διασπαστεί σε έναν αριθμό μικρότερων πυρήνων, αυτή η αντίδραση ονομάζεται "διάσπαση". Δεύτερον, μικρότεροι πυρήνες μπορούν εύκολα να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν έναν μεγαλύτερο - αυτή είναι μια αντίδραση σύντηξης. Στο σύμπαν, τέτοιες αντιδράσεις είναι πολύ συχνές. Αρκεί να πούμε ότι η αντίδραση σύντηξης είναι η πηγή ενέργειας για τα αστέρια. Αλλά η αντίδραση διάσπασης χρησιμοποιείται από την ανθρωπότητα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, αφού οι άνθρωποι έχουν μάθει να ελέγχουν αυτές τις πολύπλοκες διαδικασίες. Τι είναι όμως η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση; Πώς να το διαχειριστείτε;
Τι συμβαίνει στον πυρήνα ενός ατόμου
Μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση είναι μια διαδικασία που συμβαίνει όταν στοιχειώδη σωματίδια ή πυρήνες συγκρούονται με άλλους πυρήνες. Γιατί «αλυσίδα»; Αυτό είναι ένα σύνολο διαδοχικών μεμονωμένων πυρηνικών αντιδράσεων. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, εμφανίζεται μια αλλαγή στην κβαντική κατάσταση και τη σύνθεση νουκλεονίων του αρχικού πυρήνα, εμφανίζονται ακόμη και νέα σωματίδια - προϊόντα αντίδρασης. Η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, της οποίας η φυσική επιτρέπει σε κάποιον να μελετήσει τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης πυρήνων με πυρήνες και με σωματίδια, είναι η κύρια μέθοδος για τη λήψη νέων στοιχείων και ισοτόπων. Για να κατανοήσει κανείς τη ροή μιας αλυσιδωτής αντίδρασης, πρέπει πρώτα να ασχοληθεί με μεμονωμένες.
Τι χρειάζεται για την αντίδραση
Για να πραγματοποιηθεί μια τέτοια διαδικασία όπως μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, είναι απαραίτητο να φέρουμε σωματίδια (ένας πυρήνας και ένα νουκλεόνιο, δύο πυρήνες) πιο κοντά σε απόσταση από την ακτίνα ισχυρής αλληλεπίδρασης (περίπου ένα fermi). Εάν οι αποστάσεις είναι μεγάλες, τότε η αλληλεπίδραση των φορτισμένων σωματιδίων θα είναι καθαρά Coulomb. Σε μια πυρηνική αντίδραση, τηρούνται όλοι οι νόμοι: διατήρηση της ενέργειας, ορμή, ορμή, φορτίο βαρυονίου. Μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση συμβολίζεται με το σύνολο συμβόλων a, b, c, d. Το σύμβολο a υποδηλώνει τον αρχικό πυρήνα, b το εισερχόμενο σωματίδιο, c το νέο εξερχόμενο σωματίδιο και d τον πυρήνα που προκύπτει.
Ενέργεια αντίδρασης
Μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα τόσο με απορρόφηση όσο και με απελευθέρωση ενέργειας, η οποία ισούται με τη διαφορά στις μάζες των σωματιδίων μετά την αντίδραση και πριν από αυτήν. Η απορροφούμενη ενέργεια καθορίζει την ελάχιστη κινητική ενέργεια της σύγκρουσης,το λεγόμενο κατώφλι μιας πυρηνικής αντίδρασης, στο οποίο μπορεί να προχωρήσει ελεύθερα. Αυτό το όριο εξαρτάται από τα σωματίδια που εμπλέκονται στην αλληλεπίδραση και από τα χαρακτηριστικά τους. Στο αρχικό στάδιο, όλα τα σωματίδια βρίσκονται σε μια προκαθορισμένη κβαντική κατάσταση.
Εφαρμογή αντίδρασης
Η κύρια πηγή φορτισμένων σωματιδίων που βομβαρδίζουν τον πυρήνα είναι ο επιταχυντής σωματιδίων, ο οποίος παράγει δέσμες πρωτονίων, βαρέων ιόντων και ελαφρών πυρήνων. Τα αργά νετρόνια λαμβάνονται με τη χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων. Για να διορθωθούν τα προσπίπτοντα φορτισμένα σωματίδια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι πυρηνικών αντιδράσεων, τόσο σύντηξης όσο και διάσπασης. Η πιθανότητα τους εξαρτάται από τις παραμέτρους των σωματιδίων που συγκρούονται. Αυτή η πιθανότητα σχετίζεται με ένα χαρακτηριστικό όπως η διατομή αντίδρασης - η τιμή της ενεργού περιοχής, η οποία χαρακτηρίζει τον πυρήνα ως στόχο για προσπίπτοντα σωματίδια και η οποία είναι ένα μέτρο της πιθανότητας το σωματίδιο και ο πυρήνας να έρθουν σε αλληλεπίδραση. Εάν σωματίδια με μη μηδενικό σπιν συμμετέχουν στην αντίδραση, τότε η διατομή εξαρτάται άμεσα από τον προσανατολισμό τους. Δεδομένου ότι οι περιστροφές των προσπίπτων σωματιδίων δεν είναι εντελώς τυχαία προσανατολισμένες, αλλά περισσότερο ή λιγότερο διατεταγμένες, όλα τα σωματίδια θα είναι πολωμένα. Τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των προσανατολισμένων περιστροφών δέσμης περιγράφονται από το διάνυσμα πόλωσης.
Μηχανισμός αντίδρασης
Τι είναι η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση; Όπως ήδη αναφέρθηκε, αυτή είναι μια ακολουθία απλούστερων αντιδράσεων. Τα χαρακτηριστικά του προσπίπτοντος σωματιδίου και η αλληλεπίδρασή του με τον πυρήνα εξαρτώνται από τη μάζα, το φορτίο,κινητική ενέργεια. Η αλληλεπίδραση καθορίζεται από τον βαθμό ελευθερίας των πυρήνων, οι οποίοι διεγείρονται κατά τη σύγκρουση. Η απόκτηση ελέγχου όλων αυτών των μηχανισμών επιτρέπει μια διαδικασία όπως μια ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.
Άμεσες αντιδράσεις
Αν ένα φορτισμένο σωματίδιο που χτυπά τον πυρήνα στόχο τον αγγίξει μόνο, τότε η διάρκεια της σύγκρουσης θα είναι ίση με την απόσταση που απαιτείται για να ξεπεραστεί η απόσταση της ακτίνας του πυρήνα. Μια τέτοια πυρηνική αντίδραση ονομάζεται άμεση αντίδραση. Ένα κοινό χαρακτηριστικό για όλες τις αντιδράσεις αυτού του τύπου είναι η διέγερση ενός μικρού αριθμού βαθμών ελευθερίας. Σε μια τέτοια διαδικασία, μετά την πρώτη σύγκρουση, το σωματίδιο έχει ακόμα αρκετή ενέργεια για να ξεπεράσει την πυρηνική έλξη. Για παράδειγμα, αλληλεπιδράσεις όπως η ανελαστική σκέδαση νετρονίων, η ανταλλαγή φορτίου και αναφέρονται σε απευθείας. Η συμβολή τέτοιων διεργασιών στο χαρακτηριστικό που ονομάζεται «ολική διατομή» είναι αρκετά αμελητέα. Ωστόσο, η κατανομή των προϊόντων της διέλευσης μιας άμεσης πυρηνικής αντίδρασης καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της πιθανότητας διαφυγής από τη γωνία κατεύθυνσης της δέσμης, τους κβαντικούς αριθμούς, την επιλεκτικότητα των κατοικημένων καταστάσεων και τον προσδιορισμό της δομής τους.
εκπομπή προ-ισορροπίας
Εάν το σωματίδιο δεν εγκαταλείψει την περιοχή της πυρηνικής αλληλεπίδρασης μετά την πρώτη σύγκρουση, τότε θα εμπλακεί σε έναν ολόκληρο καταρράκτη διαδοχικών συγκρούσεων. Αυτό είναι στην πραγματικότητα ακριβώς αυτό που ονομάζεται πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Ως αποτέλεσμα αυτής της κατάστασης, η κινητική ενέργεια του σωματιδίου κατανέμεται μεταξύ τουςσυστατικά μέρη του πυρήνα. Η κατάσταση του ίδιου του πυρήνα θα γίνει σταδιακά πολύ πιο περίπλοκη. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένα συγκεκριμένο νουκλεόνιο ή ένα ολόκληρο σύμπλεγμα (μια ομάδα νουκλεονίων) μπορεί να συγκεντρώσει ενέργεια επαρκή για την εκπομπή αυτού του νουκλεονίου από τον πυρήνα. Περαιτέρω χαλάρωση θα οδηγήσει στον σχηματισμό στατιστικής ισορροπίας και στον σχηματισμό ενός σύνθετου πυρήνα.
αλυσιδωτές αντιδράσεις
Τι είναι η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση; Αυτή είναι η ακολουθία των συστατικών του μερών. Δηλαδή, πολλαπλές διαδοχικές μεμονωμένες πυρηνικές αντιδράσεις που προκαλούνται από φορτισμένα σωματίδια εμφανίζονται ως προϊόντα αντίδρασης στα προηγούμενα βήματα. Τι είναι η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση; Για παράδειγμα, η σχάση βαρέων πυρήνων, όταν πολλαπλά γεγονότα σχάσης ξεκινούν από νετρόνια που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια προηγούμενων διασπάσεων.
Χαρακτηριστικά μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης
Μεταξύ όλων των χημικών αντιδράσεων, οι αλυσιδωτές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται ευρέως. Τα σωματίδια με αχρησιμοποίητους δεσμούς παίζουν το ρόλο των ελεύθερων ατόμων ή ριζών. Σε μια διαδικασία όπως μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, ο μηχανισμός εμφάνισής της παρέχεται από νετρόνια, τα οποία δεν έχουν φράγμα Coulomb και διεγείρουν τον πυρήνα κατά την απορρόφηση. Εάν το απαραίτητο σωματίδιο εμφανιστεί στο μέσο, τότε προκαλεί μια αλυσίδα επακόλουθων μετασχηματισμών που θα συνεχιστούν μέχρι να σπάσει η αλυσίδα λόγω της απώλειας του σωματιδίου φορέα.
Γιατί χάθηκε ο μεταφορέας
Υπάρχουν μόνο δύο λόγοι για την απώλεια του σωματιδίου φορέα μιας συνεχούς αλυσίδας αντιδράσεων. Το πρώτο είναι η απορρόφηση του σωματιδίου χωρίς τη διαδικασία εκπομπήςδευτερεύων. Το δεύτερο είναι η αναχώρηση του σωματιδίου πέρα από το όριο του όγκου της ουσίας που υποστηρίζει τη διαδικασία της αλυσίδας.
Δύο τύποι διαδικασίας
Αν γεννιέται μόνο ένα σωματίδιο φορέα σε κάθε περίοδο της αλυσιδωτής αντίδρασης, τότε αυτή η διαδικασία μπορεί να ονομαστεί μη διακλαδισμένη. Δεν μπορεί να οδηγήσει σε απελευθέρωση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Εάν υπάρχουν πολλά σωματίδια φορείς, τότε αυτό ονομάζεται διακλαδισμένη αντίδραση. Τι είναι μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση με διακλάδωση; Ένα από τα δευτερεύοντα σωματίδια που ελήφθησαν στην προηγούμενη πράξη θα συνεχίσει την αλυσίδα που ξεκίνησε νωρίτερα, ενώ τα άλλα θα δημιουργήσουν νέες αντιδράσεις που επίσης θα διακλαδωθούν. Αυτή η διαδικασία θα ανταγωνιστεί τις διαδικασίες που οδηγούν στο διάλειμμα. Η προκύπτουσα κατάσταση θα προκαλέσει συγκεκριμένα κρίσιμα και περιοριστικά φαινόμενα. Για παράδειγμα, εάν υπάρχουν περισσότερα σπασίματα από αμιγώς νέες αλυσίδες, τότε η αυτοσυντήρηση της αντίδρασης θα είναι αδύνατη. Ακόμα κι αν διεγείρεται τεχνητά με την εισαγωγή του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων σε ένα δεδομένο μέσο, η διαδικασία θα εξακολουθήσει να αποσυντίθεται με το χρόνο (συνήθως μάλλον γρήγορα). Εάν ο αριθμός των νέων αλυσίδων υπερβαίνει τον αριθμό των σπασμένων, τότε μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση θα αρχίσει να εξαπλώνεται σε όλη την ουσία.
Κρίσιμη κατάσταση
Η κρίσιμη κατάσταση διαχωρίζει την περιοχή της κατάστασης της ύλης με μια ανεπτυγμένη αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση και την περιοχή όπου αυτή η αντίδραση είναι καθόλου αδύνατη. Αυτή η παράμετρος χαρακτηρίζεται από ισότητα μεταξύ του αριθμού των νέων κυκλωμάτων και του αριθμού των πιθανών διακοπών. Όπως η παρουσία ενός ελεύθερου σωματιδίου φορέα, το κρίσιμοΤο κράτος είναι το κύριο στοιχείο σε μια λίστα όπως "προϋποθέσεις για την υλοποίηση μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης". Η επίτευξη αυτής της κατάστασης μπορεί να καθοριστεί από διάφορους πιθανούς παράγοντες. Η σχάση του πυρήνα ενός βαρύ στοιχείου διεγείρεται από ένα μόνο νετρόνιο. Ως αποτέλεσμα μιας διαδικασίας όπως μια αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσης, παράγονται περισσότερα νετρόνια. Επομένως, αυτή η διαδικασία μπορεί να προκαλέσει μια διακλαδισμένη αντίδραση, όπου τα νετρόνια θα δρουν ως φορείς. Στην περίπτωση που ο ρυθμός σύλληψης νετρονίων χωρίς σχάση ή διαφυγή (ρυθμός απώλειας) αντισταθμίζεται από τον ρυθμό πολλαπλασιασμού των σωματιδίων φορέα, τότε η αλυσιδωτή αντίδραση θα προχωρήσει σε στατικό τρόπο. Αυτή η ισότητα χαρακτηρίζει τον συντελεστή πολλαπλασιασμού. Στην παραπάνω περίπτωση ισούται με ένα. Στην πυρηνική ενέργεια, λόγω της εισαγωγής μιας αρνητικής ανάδρασης μεταξύ του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας και του συντελεστή πολλαπλασιασμού, είναι δυνατός ο έλεγχος της πορείας μιας πυρηνικής αντίδρασης. Εάν αυτός ο συντελεστής είναι μεγαλύτερος από ένα, τότε η αντίδραση θα αναπτυχθεί εκθετικά. Οι ανεξέλεγκτες αλυσιδωτές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται στα πυρηνικά όπλα.
Πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σε ενέργεια
Η αντιδραστικότητα ενός αντιδραστήρα καθορίζεται από έναν μεγάλο αριθμό διεργασιών που συμβαίνουν στον πυρήνα του. Όλες αυτές οι επιρροές καθορίζονται από τον λεγόμενο συντελεστή αντιδραστικότητας. Η επίδραση των αλλαγών στη θερμοκρασία των ράβδων γραφίτη, των ψυκτικών μέσων ή του ουρανίου στην αντιδραστικότητα του αντιδραστήρα και η ένταση μιας τέτοιας διαδικασίας όπως μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση χαρακτηρίζονται από έναν συντελεστή θερμοκρασίας (για ψυκτικό, για ουράνιο, για γραφίτη). Υπάρχουν επίσης εξαρτημένα χαρακτηριστικά ως προς την ισχύ, ως προς τους βαρομετρικούς δείκτες, ως προς τους δείκτες ατμού. Για να διατηρηθεί μια πυρηνική αντίδραση σε έναν αντιδραστήρα, είναι απαραίτητο να μετατραπούν ορισμένα στοιχεία σε άλλα. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι συνθήκες για τη ροή μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης - η παρουσία μιας ουσίας που είναι σε θέση να διαιρέσει και να απελευθερώσει από τον εαυτό της κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης έναν ορισμένο αριθμό στοιχειωδών σωματιδίων, τα οποία, ως αποτέλεσμα, θα προκαλέσει τη σχάση των υπόλοιπων πυρήνων. Ως τέτοια ουσία, ουράνιο-238, ουράνιο-235, πλουτώνιο-239 χρησιμοποιούνται συχνά. Κατά τη διέλευση μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης, τα ισότοπα αυτών των στοιχείων θα διασπαστούν και θα σχηματίσουν δύο ή περισσότερες άλλες χημικές ουσίες. Σε αυτή τη διαδικασία, εκπέμπονται οι λεγόμενες ακτίνες «γάμα», εμφανίζεται μια έντονη απελευθέρωση ενέργειας, σχηματίζονται δύο ή τρία νετρόνια, ικανά να συνεχίσουν τις αντιδράσεις. Υπάρχουν αργά και γρήγορα νετρόνια, γιατί για να διασπαστεί ο πυρήνας ενός ατόμου, αυτά τα σωματίδια πρέπει να πετούν με μια ορισμένη ταχύτητα.
