De relativiteitstheorie zegt dat massa een speciale vorm van energie is. Hieruit volgt dat het mogelijk is om massa om te zetten in energie en energie in massa. Op intra-atomair niveau vinden dergelijke reacties plaats. In het bijzonder kan een deel van de massa van de atoomkern zelf heel goed in energie veranderen. Dit gebeurt op verschillende manieren. Ten eerste kan de kern vervallen in een aantal kleinere kernen, deze reactie wordt "verval" genoemd. Ten tweede kunnen kleinere kernen gemakkelijk worden gecombineerd om een grotere te maken - dit is een fusiereactie. In het universum komen dergelijke reacties heel vaak voor. Het volstaat te zeggen dat de fusiereactie de energiebron voor sterren is. Maar de vervalreactie wordt door de mensheid gebruikt in kernreactoren, omdat mensen hebben geleerd deze complexe processen te beheersen. Maar wat is een nucleaire kettingreactie? Hoe het te beheren?
Wat gebeurt er in de kern van een atoom
Een nucleaire kettingreactie is een proces dat plaatsvindt wanneer elementaire deeltjes of kernen botsen met andere kernen. Waarom "ketenen"? Dit is een reeks opeenvolgende enkele kernreacties. Als gevolg van dit proces vindt een verandering in de kwantumtoestand en nucleonsamenstelling van de oorspronkelijke kern plaats, zelfs nieuwe deeltjes verschijnen - reactieproducten. De nucleaire kettingreactie, waarvan de fysica het mogelijk maakt om de mechanismen van interactie van kernen met kernen en met deeltjes te bestuderen, is de belangrijkste methode voor het verkrijgen van nieuwe elementen en isotopen. Om de stroom van een kettingreactie te begrijpen, moet men eerst met enkele omgaan.
Wat is er nodig voor de reactie
Om zo'n proces als een nucleaire kettingreactie uit te voeren, is het noodzakelijk om deeltjes (een kern en een nucleon, twee kernen) dichter bij elkaar te brengen op een afstand van de sterke interactiestraal (ongeveer één fermi). Als de afstanden groot zijn, zal de interactie van geladen deeltjes puur Coulomb zijn. Bij een kernreactie worden alle wetten nageleefd: behoud van energie, momentum, momentum, baryonlading. Een nucleaire kettingreactie wordt aangeduid met de symbolenset a, b, c, d. Het symbool a geeft de oorspronkelijke kern aan, b het inkomende deeltje, c het nieuwe uitgaande deeltje en d de resulterende kern.
Reactie-energie
Een nucleaire kettingreactie kan zowel plaatsvinden met absorptie als met het vrijkomen van energie, wat gelijk is aan het verschil in de massa's van deeltjes na de reactie en ervoor. De geabsorbeerde energie bepa alt de minimale kinetische energie van de botsing,de zogenaamde drempel van een kernreactie, waarbij deze vrij kan verlopen. Deze drempel hangt af van de deeltjes die bij de interactie betrokken zijn en van hun kenmerken. In het beginstadium bevinden alle deeltjes zich in een vooraf bepaalde kwantumtoestand.
Reactie implementatie
De belangrijkste bron van geladen deeltjes die de kern bombarderen is de deeltjesversneller, die bundels van protonen, zware ionen en lichte kernen produceert. Langzame neutronen worden verkregen door het gebruik van kernreactoren. Om invallende geladen deeltjes te fixeren, kunnen verschillende soorten kernreacties, zowel fusie als verval, worden gebruikt. Hun waarschijnlijkheid hangt af van de parameters van de deeltjes die botsen. Deze waarschijnlijkheid hangt samen met een kenmerk als de reactiedwarsdoorsnede - de waarde van het effectieve oppervlak, die de kern kenmerkt als een doelwit voor invallende deeltjes en die een maat is voor de kans dat het deeltje en de kern in interactie treden. Als deeltjes met een spin die niet nul is aan de reactie deelnemen, hangt de dwarsdoorsnede direct af van hun oriëntatie. Omdat de spins van de invallende deeltjes niet volledig willekeurig georiënteerd zijn, maar min of meer geordend, zullen alle bloedlichaampjes gepolariseerd zijn. Het kwantitatieve kenmerk van de georiënteerde bundelspins wordt beschreven door de polarisatievector.
Reactiemechanisme
Wat is een nucleaire kettingreactie? Zoals reeds vermeld, is dit een opeenvolging van eenvoudigere reacties. De kenmerken van het invallende deeltje en zijn interactie met de kern hangen af van de massa, lading,kinetische energie. De interactie wordt bepaald door de vrijheidsgraad van de kernen, die tijdens de botsing worden geëxciteerd. Door controle te krijgen over al deze mechanismen is een proces mogelijk zoals een gecontroleerde nucleaire kettingreactie.
Directe reacties
Als een geladen deeltje dat de doelkern raakt het alleen raakt, dan zal de duur van de botsing gelijk zijn aan de afstand die nodig is om de afstand van de kernstraal te overbruggen. Zo'n kernreactie wordt een directe reactie genoemd. Een gemeenschappelijk kenmerk van alle reacties van dit type is de excitatie van een klein aantal vrijheidsgraden. In zo'n proces heeft het deeltje na de eerste botsing nog genoeg energie om de nucleaire aantrekkingskracht te overwinnen. Bijvoorbeeld, dergelijke interacties als inelastische verstrooiing van neutronen, ladingsuitwisseling en verwijzen naar direct. De bijdrage van dergelijke processen aan het kenmerk dat "totale doorsnede" wordt genoemd, is vrij verwaarloosbaar. De verdeling van de producten van de passage van een directe kernreactie maakt het echter mogelijk om de waarschijnlijkheid van ontsnapping uit de hoek van de bundelrichting, kwantumgetallen, de selectiviteit van de bevolkte toestanden te bepalen en hun structuur te bepalen.
Pre-evenwicht emissie
Als het deeltje het gebied van nucleaire interactie niet verlaat na de eerste botsing, zal het betrokken zijn bij een hele cascade van opeenvolgende botsingen. Dit is eigenlijk precies wat een nucleaire kettingreactie wordt genoemd. Als gevolg van deze situatie wordt de kinetische energie van het deeltje verdeeld oversamenstellende delen van de kern. De toestand van de kern zelf zal geleidelijk veel gecompliceerder worden. Tijdens dit proces kan een bepaald nucleon of een hele cluster (een groep nucleonen) energie concentreren die voldoende is voor de emissie van dit nucleon uit de kern. Verdere ontspanning zal leiden tot de vorming van een statistisch evenwicht en de vorming van een samengestelde kern.
Kettingreacties
Wat is een nucleaire kettingreactie? Dit is de volgorde van de samenstellende delen. Dat wil zeggen, meerdere opeenvolgende enkele kernreacties veroorzaakt door geladen deeltjes verschijnen als reactieproducten in de vorige stappen. Wat is een nucleaire kettingreactie? Bijvoorbeeld de splijting van zware kernen, wanneer meerdere splijtingsgebeurtenissen worden geïnitieerd door neutronen die zijn verkregen tijdens eerdere vervalsingen.
Kenmerken van een nucleaire kettingreactie
Onder alle chemische reacties worden kettingreacties veel gebruikt. Deeltjes met ongebruikte bindingen spelen de rol van vrije atomen of radicalen. In een proces zoals een nucleaire kettingreactie, wordt het mechanisme van het optreden ervan geleverd door neutronen, die geen Coulomb-barrière hebben en de kern bij absorptie exciteren. Als het noodzakelijke deeltje in het medium verschijnt, veroorzaakt het een keten van opeenvolgende transformaties die zal doorgaan totdat de keten breekt door het verlies van het dragerdeeltje.
Waarom de koerier kwijt is
Er zijn maar twee redenen voor het verlies van het dragerdeeltje van een continue keten van reacties. De eerste is de absorptie van het deeltje zonder het emissieprocesondergeschikt. De tweede is het vertrek van het deeltje voorbij de limiet van het volume van de stof die het ketenproces ondersteunt.
Twee soorten processen
Als er in elke periode van de kettingreactie slechts één dragerdeeltje wordt geboren, kan dit proces onvertakt worden genoemd. Het kan niet leiden tot het op grote schaal vrijkomen van energie. Als er veel dragerdeeltjes zijn, wordt dit een vertakte reactie genoemd. Wat is een nucleaire kettingreactie met vertakking? Een van de secundaire deeltjes die in de vorige handeling zijn verkregen, zal de eerder gestarte keten voortzetten, terwijl de andere nieuwe reacties zullen creëren die zich ook zullen vertakken. Dit proces zal concurreren met de processen die tot de breuk leiden. De resulterende situatie zal aanleiding geven tot specifieke kritische en beperkende verschijnselen. Als er bijvoorbeeld meer breuken zijn dan puur nieuwe ketens, dan is het onmogelijk om de reactie zelf in stand te houden. Zelfs als het kunstmatig wordt geëxciteerd door het vereiste aantal deeltjes in een bepaald medium te introduceren, zal het proces na verloop van tijd nog steeds vervallen (meestal vrij snel). Als het aantal nieuwe ketens groter is dan het aantal breuken, zal een nucleaire kettingreactie zich door de stof beginnen te verspreiden.
Kritieke toestand
De kritieke toestand scheidt het gebied van de toestand van de materie met een ontwikkelde zichzelf in stand houdende kettingreactie, en het gebied waar deze reactie helemaal niet mogelijk is. Deze parameter wordt gekenmerkt door gelijkheid tussen het aantal nieuwe circuits en het aantal mogelijke onderbrekingen. Net als de aanwezigheid van een vrij dragerdeeltje, is de kritischestaat is het belangrijkste item in zo'n lijst als "voorwaarden voor de implementatie van een nucleaire kettingreactie." Het bereiken van deze toestand kan worden bepaald door een aantal mogelijke factoren. De splitsing van de kern van een zwaar element wordt opgewekt door slechts één neutron. Als gevolg van een proces zoals een kettingreactie van kernsplijting worden meer neutronen geproduceerd. Daarom kan dit proces een vertakte reactie produceren, waarbij neutronen als dragers zullen fungeren. In het geval dat de snelheid van neutronenvangst zonder splijting of ontsnapping (verliessnelheid) wordt gecompenseerd door de snelheid van vermenigvuldiging van dragerdeeltjes, dan zal de kettingreactie stationair verlopen. Deze gelijkheid kenmerkt de vermenigvuldigingsfactor. In het bovenstaande geval is het gelijk aan één. In kernenergie is het door de introductie van een negatieve terugkoppeling tussen de snelheid van energieafgifte en de vermenigvuldigingsfactor mogelijk om het verloop van een kernreactie te beheersen. Als deze coëfficiënt groter is dan één, zal de reactie exponentieel verlopen. Ongecontroleerde kettingreacties worden gebruikt in kernwapens.
Kernreactie in energie
De reactiviteit van een reactor wordt bepaald door een groot aantal processen die in de kern plaatsvinden. Al deze invloeden worden bepaald door de zogenaamde reactiviteitscoëfficiënt. Het effect van temperatuurveranderingen van grafietstaven, koelmiddelen of uranium op de reactiviteit van de reactor en de intensiteit van een dergelijk proces als een nucleaire kettingreactie worden gekenmerkt door een temperatuurcoëfficiënt (voor koelmiddel, voor uranium, voor grafiet). Er zijn ook afhankelijke kenmerken in termen van vermogen, in termen van barometrische indicatoren, in termen van stoomindicatoren. Om een kernreactie in een reactor in stand te houden, is het noodzakelijk om sommige elementen om te zetten in andere. Om dit te doen, is het noodzakelijk om rekening te houden met de voorwaarden voor de stroom van een nucleaire kettingreactie - de aanwezigheid van een stof die zich tijdens het verval kan delen en uit zichzelf kan afgeven een bepaald aantal elementaire deeltjes, die, als resultaat, zal de splijting van de resterende kernen veroorzaken. Als een dergelijke stof worden vaak uranium-238, uranium-235, plutonium-239 gebruikt. Tijdens de passage van een nucleaire kettingreactie zullen de isotopen van deze elementen vervallen en twee of meer andere chemicaliën vormen. In dit proces worden de zogenaamde "gamma" -stralen uitgezonden, vindt een intense afgifte van energie plaats, worden twee of drie neutronen gevormd, die in staat zijn om de reactiehandelingen voort te zetten. Er zijn langzame en snelle neutronen, want om de kern van een atoom te laten desintegreren, moeten deze deeltjes met een bepaalde snelheid vliegen.
