Teorie relativity říká, že hmotnost je zvláštní forma energie. Z toho vyplývá, že je možné přeměnit hmotu na energii a energii na hmotu. Na intraatomární úrovni takové reakce probíhají. Zejména část hmoty samotného atomového jádra se může dobře proměnit v energii. To se děje několika způsoby. Za prvé, jádro se může rozpadnout na řadu menších jader, tato reakce se nazývá „rozpad“. Za druhé, menší jádra se mohou snadno spojit a vytvořit větší - jedná se o fúzní reakci. Ve vesmíru jsou takové reakce velmi běžné. Stačí říci, že fúzní reakce je zdrojem energie pro hvězdy. Ale rozkladovou reakci používá lidstvo v jaderných reaktorech, protože se lidé naučili tyto složité procesy ovládat. Ale co je to jaderná řetězová reakce? Jak to spravovat?
Co se děje v jádře atomu
Jaderná řetězová reakce je proces, ke kterému dochází, když se elementární částice nebo jádra srazí s jinými jádry. Proč "řetěz"? Jedná se o soubor po sobě jdoucích jednotlivých jaderných reakcí. V důsledku tohoto procesu dochází ke změně kvantového stavu a nukleonového složení původního jádra, objevují se dokonce nové částice - reakční produkty. Jaderná řetězová reakce, jejíž fyzika umožňuje studovat mechanismy interakce jader s jádry a s částicemi, je hlavní metodou získávání nových prvků a izotopů. Abychom porozuměli toku řetězové reakce, musíme se nejprve vypořádat s jednotlivými.
Co je potřeba pro reakci
Aby bylo možné provést takový proces, jako je jaderná řetězová reakce, je nutné přiblížit částice (jádro a nukleon, dvě jádra) na vzdálenost poloměru silné interakce (asi jedna fermi). Pokud jsou vzdálenosti velké, pak bude interakce nabitých částic čistě coulombovská. Při jaderné reakci jsou dodrženy všechny zákony: zachování energie, hybnost, hybnost, baryonový náboj. Jaderná řetězová reakce je označena sadou symbolů a, b, c, d. Symbol a označuje původní jádro, b příchozí částici, c novou odcházející částici a d výsledné jádro.
Reakční energie
Jaderná řetězová reakce může probíhat jak s absorpcí, tak s uvolněním energie, která se rovná rozdílu hmotností částic po reakci a před ní. Absorbovaná energie určuje minimální kinetickou energii srážky,tzv. práh jaderné reakce, při kterém může volně probíhat. Tento práh závisí na částicích účastnících se interakce a na jejich vlastnostech. V počáteční fázi jsou všechny částice v předem určeném kvantovém stavu.
Implementace reakce
Hlavním zdrojem nabitých částic, které bombardují jádro, je urychlovač částic, který produkuje svazky protonů, těžkých iontů a lehkých jader. Pomalé neutrony se získávají pomocí jaderných reaktorů. K fixaci dopadajících nabitých částic lze použít různé typy jaderných reakcí, jak fúzi, tak rozpad. Jejich pravděpodobnost závisí na parametrech částic, které se srazí. Tato pravděpodobnost je spojena s takovou charakteristikou, jako je reakční průřez - hodnota efektivní plochy, která charakterizuje jádro jako cíl pro dopadající částice a která je mírou pravděpodobnosti, že částice a jádro vstoupí do interakce. Pokud se reakce účastní částice s nenulovým spinem, pak průřez přímo závisí na jejich orientaci. Protože spiny dopadajících částic nejsou zcela náhodně orientované, ale víceméně uspořádané, budou všechny částice polarizované. Kvantitativní charakteristika rotací orientovaného paprsku je popsána polarizačním vektorem.
Reakční mechanismus
Co je to jaderná řetězová reakce? Jak již bylo řečeno, jedná se o sled jednodušších reakcí. Charakteristiky dopadající částice a její interakce s jádrem závisí na hmotnosti, náboji,Kinetická energie. Interakce je dána stupněm volnosti jader, která jsou při srážce excitována. Získání kontroly nad všemi těmito mechanismy umožňuje proces, jako je řízená jaderná řetězová reakce.
Přímé reakce
Pokud se nabitá částice, která zasáhne cílové jádro, pouze dotkne, bude doba trvání srážky rovna vzdálenosti potřebné k překonání vzdálenosti poloměru jádra. Taková jaderná reakce se nazývá přímá reakce. Společnou charakteristikou všech reakcí tohoto typu je buzení malého počtu stupňů volnosti. V takovém procesu má částice po první srážce stále dostatek energie, aby překonala jadernou přitažlivost. Například takové interakce jako nepružný rozptyl neutronů, výměna náboje a odkazují na přímé. Příspěvek takových procesů k charakteristice nazývané "celkový průřez" je zcela zanedbatelný. Rozložení produktů průchodu přímé jaderné reakce však umožňuje určit pravděpodobnost úniku z úhlu směru paprsku, kvantová čísla, selektivitu osídlených stavů a určit jejich strukturu.
Před rovnovážná emise
Pokud částice po první srážce neopustí oblast jaderné interakce, bude zapojena do celé kaskády po sobě jdoucích srážek. To je ve skutečnosti jen to, co se nazývá jaderná řetězová reakce. V důsledku této situace je kinetická energie částice rozdělena mezizákladní části jádra. Stav samotného jádra bude postupně mnohem komplikovanější. Během tohoto procesu může určitý nukleon nebo celý shluk (skupina nukleonů) koncentrovat energii dostatečnou pro emisi tohoto nukleonu z jádra. Další relaxace povede k vytvoření statistické rovnováhy a vytvoření složeného jádra.
Řetězové reakce
Co je to jaderná řetězová reakce? Toto je posloupnost jeho součástí. To znamená, že v předchozích krocích se jako reakční produkty jeví vícenásobné po sobě jdoucí jednotlivé jaderné reakce způsobené nabitými částicemi. Co je to jaderná řetězová reakce? Například štěpení těžkých jader, kdy je několik štěpných událostí iniciováno neutrony získanými během předchozích rozpadů.
Funkce jaderné řetězové reakce
Mezi všemi chemickými reakcemi se široce používají řetězové reakce. Částice s nevyužitými vazbami hrají roli volných atomů nebo radikálů. V procesu, jako je jaderná řetězová reakce, zajišťují mechanismus jejího vzniku neutrony, které nemají Coulombovu bariéru a při absorpci excitují jádro. Pokud se v médiu objeví potřebná částice, způsobí to řetězec následných transformací, které budou pokračovat, dokud se řetězec nepřeruší v důsledku ztráty nosné částice.
Proč se ztratil operátor
Existují pouze dva důvody pro ztrátu nosné částice v nepřetržitém řetězci reakcí. Prvním je absorpce částice bez procesu emisesekundární. Druhým je odchod částice za limit objemu látky, která podporuje řetězový proces.
Dva typy procesu
Pokud se v každém období řetězové reakce zrodí pouze jedna nosná částice, pak lze tento proces nazvat nerozvětveným. Nemůže vést k uvolnění energie ve velkém měřítku. Pokud existuje mnoho nosných částic, pak se to nazývá rozvětvená reakce. Co je to jaderná řetězová reakce s větvením? Jedna ze sekundárních částic získaných v předchozím aktu bude pokračovat v dříve započatém řetězci, zatímco ostatní vytvoří nové reakce, které se také rozvětví. Tento proces bude soutěžit s procesy vedoucími k přerušení. Výsledná situace vyvolá specifické kritické a limitující jevy. Pokud je například více přerušení než čistě nových řetězců, pak samoudržování reakce nebude možné. I když je excitován uměle zavedením požadovaného počtu částic do daného média, proces se stále časem rozpadne (obvykle poměrně rychle). Pokud počet nových řetězců překročí počet přerušení, pak se v látce začne šířit jaderná řetězová reakce.
Kritický stav
Kritický stav odděluje oblast stavu hmoty s rozvinutou samoudržující řetězovou reakcí a oblast, kde je tato reakce vůbec nemožná. Tento parametr je charakterizován rovností mezi počtem nových okruhů a počtem možných přerušení. Stejně jako přítomnost volné nosné částice je kritickástát je hlavní položkou v takovém seznamu jako „podmínky pro provedení jaderné řetězové reakce“. O dosažení tohoto stavu může rozhodovat řada možných faktorů. Štěpení jádra těžkého prvku je vybuzeno právě jedním neutronem. V důsledku procesu, jako je řetězová reakce jaderného štěpení, vzniká více neutronů. Proto tento proces může produkovat rozvětvenou reakci, kde neutrony budou působit jako nosiče. V případě, kdy je rychlost záchytu neutronu bez štěpení nebo úniku (rychlost ztráty) kompenzována rychlostí množení nosných částic, bude řetězová reakce probíhat ve stacionárním režimu. Tato rovnost charakterizuje multiplikační faktor. Ve výše uvedeném případě se rovná jedné. V jaderné energetice je díky zavedení negativní zpětné vazby mezi rychlostí uvolňování energie a multiplikačním faktorem možné řídit průběh jaderné reakce. Pokud je tento koeficient větší než jedna, pak se reakce bude vyvíjet exponenciálně. V jaderných zbraních se používají nekontrolované řetězové reakce.
Jaderná řetězová reakce v energii
Reaktivita reaktoru je určena velkým počtem procesů, které probíhají v jeho aktivní zóně. Všechny tyto vlivy určuje tzv. koeficient reaktivity. Vliv změn teploty grafitových tyčí, chladiv nebo uranu na reaktivitu reaktoru a intenzitu takového procesu jako je jaderná řetězová reakce charakterizuje teplotní koeficient (pro chladivo, pro uran, pro grafit). Existují také závislé charakteristiky z hlediska výkonu, z hlediska barometrických ukazatelů, z hlediska ukazatelů páry. Pro udržení jaderné reakce v reaktoru je nutné přeměnit některé prvky na jiné. K tomu je nutné vzít v úvahu podmínky pro tok jaderné řetězové reakce - přítomnost látky, která je schopna rozdělit a uvolnit ze sebe během rozpadu určitý počet elementárních částic, které v důsledku, způsobí štěpení zbývajících jader. Jako taková látka se často používá uran-238, uran-235, plutonium-239. Během průchodu jadernou řetězovou reakcí se izotopy těchto prvků rozpadnou a vytvoří dvě nebo více dalších chemikálií. Při tomto procesu jsou emitovány tzv. „gama“paprsky, dochází k intenzivnímu uvolňování energie, vznikají dva až tři neutrony schopné pokračovat v reakčních dějích. Existují pomalé a rychlé neutrony, protože aby se jádro atomu rozpadlo, musí tyto částice letět určitou rychlostí.
