Suhteellisuusteoria sanoo, että massa on erityinen energiamuoto. Tästä seuraa, että massa on mahdollista muuntaa energiaksi ja energia massaksi. Intraatomisella tasolla tällaisia reaktioita tapahtuu. Erityisesti osa itse atomiytimen massasta voi hyvinkin muuttua energiaksi. Tämä tapahtuu useilla tavoilla. Ensinnäkin ydin voi hajota useiksi pienemmiksi ytimiksi, tätä reaktiota kutsutaan "hajoamiseksi". Toiseksi pienemmät ytimet voivat helposti yhdistyä suuremmaksi - tämä on fuusioreaktio. Universumissa tällaiset reaktiot ovat hyvin yleisiä. Riittää, kun sanotaan, että fuusioreaktio on energian lähde tähtille. Mutta ihmiskunta käyttää hajoamisreaktiota ydinreaktoreissa, koska ihmiset ovat oppineet hallitsemaan näitä monimutkaisia prosesseja. Mutta mikä on ydinketjureaktio? Kuinka hallita sitä?
Mitä tapahtuu atomin ytimessä
Ydinketjureaktio on prosessi, joka tapahtuu, kun alkuainehiukkaset tai ytimet törmäävät muihin ytimiin. Miksi "ketju"? Tämä on joukko peräkkäisiä yksittäisiä ydinreaktioita. Tämän prosessin seurauksena alkuperäisen ytimen kvanttitilassa ja nukleonikoostumuksessa tapahtuu muutos, jopa uusia hiukkasia ilmestyy - reaktiotuotteita. Ydinketjureaktio, jonka fysiikka mahdollistaa ytimien vuorovaikutuksen mekanismien tutkimisen ytimien ja hiukkasten kanssa, on tärkein menetelmä uusien alkuaineiden ja isotooppien saamiseksi. Ketjureaktion kulun ymmärtämiseksi on ensin käsiteltävä yksittäisiä.
Mitä reaktioon tarvitaan
Tällaisen prosessin, kuten ydinketjureaktion, suorittamiseksi on tarpeen saattaa hiukkaset (ydin ja nukleoni, kaksi ydintä) lähemmäksi toisiaan vahvan vuorovaikutussäteen etäisyydellä (noin yksi fermi). Jos etäisyydet ovat suuret, varattujen hiukkasten vuorovaikutus on puhtaasti Coulom. Ydinreaktiossa noudatetaan kaikkia lakeja: energian säilyminen, liikemäärä, liikemäärä, baryonivaraus. Ydinketjureaktiota merkitään symbolijoukolla a, b, c, d. Symboli a tarkoittaa alkuperäistä ydintä, b sisääntulevaa hiukkasta, c uutta lähtevää hiukkasta ja d tuloksena olevaa ydintä.
Reaktioenergia
Ydinketjureaktio voi tapahtua sekä absorptiolla että energian vapautuessa, mikä on yhtä suuri kuin hiukkasten massojen ero reaktion jälkeen ja ennen sitä. Absorboitunut energia määrää törmäyksen pienimmän liike-energian,ns. ydinreaktion kynnys, jossa se voi edetä vapaasti. Tämä kynnysarvo riippuu vuorovaikutukseen osallistuvista hiukkasista ja niiden ominaisuuksista. Alkuvaiheessa kaikki hiukkaset ovat enn alta määrätyssä kvanttitilassa.
Reaktion toteutus
Ydintä pommittavien varautuneiden hiukkasten päälähde on hiukkaskiihdytin, joka tuottaa protoneja, raskaita ioneja ja kevyitä ytimiä. Hitaita neutroneja saadaan käyttämällä ydinreaktoreita. Kohtautuvien varautuneiden hiukkasten kiinnittämiseen voidaan käyttää erilaisia ydinreaktioita, sekä fuusiota että hajoamista. Niiden todennäköisyys riippuu törmäävien hiukkasten parametreista. Tämä todennäköisyys liittyy sellaiseen ominaisuuteen kuin reaktion poikkileikkaus - tehollisen alueen arvo, joka luonnehtii ydintä sattuvien hiukkasten kohteena ja joka on mitta hiukkasen ja ytimen vuorovaikutuksen todennäköisyydestä. Jos hiukkaset, joilla on nollasta poikkeava spin, osallistuvat reaktioon, poikkileikkaus riippuu suoraan niiden orientaatiosta. Koska tulevien hiukkasten spinit eivät ole täysin satunnaisesti suunnattuja, vaan enemmän tai vähemmän järjestettyjä, kaikki hiukkaset ovat polarisoituneita. Suunnattujen säteen spinien kvantitatiivinen ominaisuus kuvataan polarisaatiovektorilla.
Reaktiomekanismi
Mikä on ydinketjureaktio? Kuten jo mainittiin, tämä on sarja yksinkertaisempia reaktioita. Tulevan hiukkasen ominaisuudet ja sen vuorovaikutus ytimen kanssa riippuvat massasta, varauksesta,kineettinen energia. Vuorovaikutuksen määrää törmäyksen aikana virittyneiden ytimien vapausaste. Kaikkien näiden mekanismien hallintaan pääseminen mahdollistaa prosessin, kuten hallitun ydinketjureaktion.
Suorat reaktiot
Jos kohdeytimeen osuva varautunut hiukkanen vain koskettaa sitä, törmäyksen kesto on yhtä suuri kuin etäisyys, joka tarvitaan ytimen säteen etäisyyden ylittämiseen. Tällaista ydinreaktiota kutsutaan suoraksi reaktioksi. Yhteinen ominaisuus kaikille tämän tyyppisille reaktioille on pienen määrän vapausasteiden herättäminen. Tällaisessa prosessissa hiukkasella on vielä ensimmäisen törmäyksen jälkeen tarpeeksi energiaa voittamaan ydinvoiman vetovoiman. Esimerkiksi sellaiset vuorovaikutukset kuin joustamaton neutronien sironta, varauksenvaihto ja viittaavat suoraan. Tällaisten prosessien osuus ominaisuudesta nimeltä "kokonaispoikkileikkaus" on melko mitätön. Suoran ydinreaktion läpikulun tuotteiden jakauman avulla voidaan kuitenkin määrittää säteen suuntakulmasta poistumistodennäköisyys, kvanttiluvut, asuttujen tilojen selektiivisyys ja niiden rakenne.
Esitasapainopäästöt
Jos hiukkanen ei poistu ydinvuorovaikutuksen alueelta ensimmäisen törmäyksen jälkeen, se on mukana peräkkäisten törmäysten sarjassa. Tämä on itse asiassa juuri sitä, mitä kutsutaan ydinketjureaktioksi. Tämän tilanteen seurauksena hiukkasen kineettinen energia jakautuu keskenytimen osat. Itse ytimen tila tulee vähitellen monimutkaisemmaksi. Tämän prosessin aikana tietty nukleoni tai kokonainen klusteri (ryhmä nukleoneja) voi keskittää energiaa, joka riittää tämän nukleonin emissioon ytimestä. Lisärelaksaatio johtaa tilastollisen tasapainon muodostumiseen ja yhdisteytimen muodostumiseen.
Ketjureaktiot
Mikä on ydinketjureaktio? Tämä on sen osien järjestys. Toisin sanoen useat peräkkäiset yksittäiset ydinreaktiot, jotka ovat varautuneiden hiukkasten aiheuttamia, näkyvät reaktiotuotteina edellisissä vaiheissa. Mikä on ydinketjureaktio? Esimerkiksi raskaiden ytimien fissio, kun useat fissiotapahtumat alkavat aikaisempien hajoamisten aikana saatujen neutronien vaikutuksesta.
Ydinketjureaktion piirteet
Kaikista kemiallisista reaktioista ketjureaktioita käytetään laaj alti. Hiukkaset, joissa on käyttämättömiä sidoksia, näyttelevät vapaita atomeja tai radikaaleja. Prosessissa, kuten ydinketjureaktiossa, sen esiintymismekanismin tarjoavat neutronit, joilla ei ole Coulombin estettä ja jotka virittävät ytimen absorption yhteydessä. Jos tarvittava hiukkanen ilmestyy väliaineeseen, se aiheuttaa myöhempien muutosten ketjun, joka jatkuu, kunnes ketju katkeaa kantajahiukkasen häviämisen vuoksi.
Miksi operaattori on kadonnut
Jatkuvan reaktioketjun kantajahiukkasten häviämiseen on vain kaksi syytä. Ensimmäinen on hiukkasen absorptio ilman päästöprosessiatoissijainen. Toinen on hiukkasen poistuminen ketjuprosessia tukevan aineen tilavuuden rajan yli.
Kaksi prosessityyppiä
Jos vain yksi kantajahiukkanen syntyy jokaisessa ketjureaktion jaksossa, tätä prosessia voidaan kutsua haaroittumattomaksi. Se ei voi johtaa energian vapautumiseen suuressa mittakaavassa. Jos kantajahiukkasia on paljon, tätä kutsutaan haarautuneeksi reaktioksi. Mikä on ydinketjureaktio haarautumalla? Yksi edellisessä näytöksessä saaduista toissijaisista hiukkasista jatkaa aiemmin aloitettua ketjua, kun taas toiset luovat uusia reaktioita, jotka myös haarautuvat. Tämä prosessi kilpailee katkokseen johtavien prosessien kanssa. Tuloksena oleva tilanne synnyttää erityisiä kriittisiä ja rajoittavia ilmiöitä. Esimerkiksi, jos katkoksia on enemmän kuin puhtaasti uusia ketjuja, reaktion itsensä ylläpitäminen on mahdotonta. Vaikka se viritetään keinotekoisesti lisäämällä tarvittava määrä hiukkasia tiettyyn väliaineeseen, prosessi kuitenkin hiipuu ajan myötä (yleensä melko nopeasti). Jos uusien ketjujen määrä ylittää katkosten määrän, ydinketjureaktio alkaa levitä kaikkialle aineeseen.
Kriittinen tila
Kriittinen tila erottaa aineen tilan alueen, jossa on kehittynyt itseään ylläpitävä ketjureaktio, ja alueen, jossa tämä reaktio on mahdotonta. Tälle parametrille on tunnusomaista uusien piirien määrän ja mahdollisten katkosten lukumäärän välinen yhtäläisyys. Kuten vapaan kantajahiukkasen läsnäolo, kriittinentila on pääkohde sellaisessa luettelossa kuin "ydinketjureaktion toteuttamisen ehdot". Tämän tilan saavuttaminen voidaan määrittää useiden mahdollisten tekijöiden perusteella. Raskaan alkuaineen ytimen fissio viritetään vain yhdellä neutronilla. Prosessin, kuten ydinfissioketjureaktion, seurauksena syntyy enemmän neutroneja. Siksi tämä prosessi voi tuottaa haarautuneen reaktion, jossa neutronit toimivat kantajina. Siinä tapauksessa, että neutronien sieppausnopeus ilman fissiota tai karkaa (häviönopeus) kompensoidaan kantajahiukkasten lisääntymisnopeudella, ketjureaktio etenee paikallaan olevassa tilassa. Tämä yhtäläisyys luonnehtii kerrointa. Yllä olevassa tapauksessa se on yhtä suuri kuin yksi. Ydinvoimassa energian vapautumisnopeuden ja kertoimen välisen negatiivisen takaisinkytkennän ansiosta on mahdollista hallita ydinreaktion kulkua. Jos tämä kerroin on suurempi kuin yksi, reaktio kehittyy eksponentiaalisesti. Ydinaseissa käytetään hallitsemattomia ketjureaktioita.
Ydinketjureaktio energiassa
Reaktorin reaktiivisuuden määräävät monet sen sydämessä tapahtuvat prosessit. Kaikki nämä vaikutukset määräytyvät ns. reaktiivisuuskertoimella. Grafiittisauvojen, jäähdytysnesteiden tai uraanin lämpötilan muutosten vaikutusta reaktorin reaktiivisuuteen ja sellaisen prosessin, kuten ydinketjureaktion, voimakkuuteen karakterisoidaan lämpötilakertoimella (jäähdytysnesteelle, uraanille, grafiitille). On myös riippuvaisia ominaisuuksia tehon, barometristen indikaattoreiden ja höyryn indikaattoreiden os alta. Ydinreaktion ylläpitämiseksi reaktorissa on välttämätöntä muuttaa jotkin alkuaineet toisiksi. Tätä varten on tarpeen ottaa huomioon ydinketjureaktion kulkuolosuhteet - aineen läsnäolo, joka pystyy jakautumaan ja vapauttamaan itsestään hajoamisen aikana tietyn määrän alkuainehiukkasia, jotka seurauksena, aiheuttaa jäljellä olevien ytimien fission. Sellaisena aineena käytetään usein uraani-238, uraani-235, plutonium-239. Ydinketjureaktion aikana näiden alkuaineiden isotoopit hajoavat ja muodostavat kaksi tai useampia muita kemikaaleja. Tässä prosessissa lähetetään niin sanottuja "gammasäteitä", tapahtuu voimakasta energian vapautumista, muodostuu kaksi tai kolme neutronia, jotka pystyvät jatkamaan reaktiotoimia. On olemassa hitaita ja nopeita neutroneja, koska jotta atomin ydin hajoaisi, näiden hiukkasten täytyy lentää tietyllä nopeudella.
