Ланцюгова ядерна реакція. Умови здійснення ланцюгової ядерної реакції

Теорія відносності говорить, що маса - це особлива форма енергії. З цього випливає, що можна перетворити масу в енергію та енергію в масу. На внутріатомні рівні такі реакції мають місце. Зокрема, деяка кількість маси самого атомного ядра цілком може перетворитися в енергію. Це відбувається по декількох шляхах. По-перше, ядро може розпастися на кілька дрібніших ядер, ця реакція називається «розпадом». По-друге, більш дрібні ядра можуть запросто з`єднатися, щоб вийшло більш велике, - це реакція синтезу. У Всесвіті такі реакції дуже поширені. Досить сказати, що реакція синтезу - джерело енергії для зірок. А от реакція розпаду використовується людством на атомних реакторах, так як люди навчилися контролювати ці складні процеси. Але що ж таке ланцюгова ядерна реакція? Як нею керувати?

Що відбувається в ядрі атома

Ланцюгова ядерна реакція - процес, що йде при зіткненні елементарних частинок або ядер з іншими ядрами. Чому «ланцюгова»? Це сукупність послідовних одиночних ядерних реакцій. В результаті цього процесу відбувається зміна квантового стану і нуклонного складу у вихідного ядра, з`являються навіть нові частинки - продукти реакції. Ланцюгова ядерна реакція, фізика якої дозволяє досліджувати механізми взаємодії ядер з ядрами і з частинками, - це основний метод для отримання нових елементів і ізотопів. Для того щоб зрозуміти протікання ланцюгової реакції, треба спочатку розібратися з поодинокими.

Що потрібно для реакції

Для того щоб здійснити такий процес, як ланцюгова ядерна реакція, необхідно зблизити частинки (ядро і нуклон, два ядра) на відстань радіуса сильної взаємодії (Приблизно один фермі). Якщо відстані великі, то взаємодія заряджених частинок буде чисто кулонівським. У ядерній реакції дотримуються всі закони: збереження енергії, моменту, імпульсу, баріонів заряду. Ланцюгова ядерна реакція позначається набором символів а, b, с, d. Символ а позначає початкове ядро, b - налітав частинку, с - нову вилітають частинку, а d позначає результуюче ядро.

Енергія реакції

Ланцюгова ядерна реакція може проходити як з поглинанням, так і з виділенням енергії, яка дорівнює різниці мас частинок після реакції і до неї. Поглинається енергія визначає мінімальну кінетичну енергію зіткнення, так званий поріг ядерної реакції, при якій вона може вільно протікати. Даний поріг залежить від частинок, які беруть участь у взаємодії, і від їх характеристик. На початковому етапі всі частинки знаходяться у заздалегідь визначеному квантовому стані.

Здійснення реакції

Основним джерелом заряджених частинок, якими бомбардируется ядро, є прискорювач заряджених частинок, який дає пучки протонів, важких іонів і легких ядер. Повільні нейтрони отримують завдяки використанню ядерних реакторів. Для фіксації налітають заряджених частинок можуть бути використані різні типи ядерних реакцій - як синтезу, так і розпаду. Вірогідність їх залежить від параметрів частинок, які стикаються. З цією ймовірністю пов`язана така характеристика, як перетин реакції - величина ефективної площі, яка характеризує ядро в якості мішені для налітають частинок і яка є мірою ймовірності вступу частинки і ядра у взаємодію. Якщо в реакції беруть участь частинки з ненульовим значенням спина, то перетин безпосередньо залежить від їх орієнтації. Так як спини налітають частинок орієнтовані не зовсім хаотично, а більш-менш впорядковано, то все корпускули будуть поляризовані. Кількісна характеристика орієнтованих спинив пучка описується вектором поляризації.

Механізм реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Як вже говорилося, це послідовність більш простих реакцій. Характеристики налітаючої частки та її взаємодії з ядром залежать від маси, заряду, кінетичної енергії. Взаємодія визначається ступенем свободи ядер, які й збуджуються при зіткненні. Отримання контролю над усіма цими механізмами дозволяє проводити такий процес, як керована ланцюгова ядерна реакція.

Прямі реакції

Якщо заряджена частинка, яка налітає на ядро-мішень, тільки стосується його, то тривалість зіткнення дорівнюватиме необхідному для подолання відстані радіуса ядра. Таку ядерну реакцію називають прямою. Загальною характеристикою для всіх реакцій такого типу є збудження малого числа ступенів свободи. У такому процесі після першого зіткнення частка має ще достатньо енергії для подолання ядерної тяжіння. Приміром, такі взаємодії, як неупругое розсіювання нейтронів, обмін заряду, і відносяться до прямих. Внесок таких процесів в характеристику під назвою "повний переріз" досить мізерний. Однак розподіл продуктів проходження прямої ядерної реакції дозволяє визначити ймовірність вильоту від кута напрямку пучка, квантові числа, селективність заселених станів і визначити їх структуру.

Предравновесная емісія

Якщо частка не покине область ядерної взаємодії після першого ж зіткнення, то вона буде залучена в цілий каскад з послідовних зіткнень. Це фактично як раз те, що називається ланцюговою ядерною реакцією. В результаті такої ситуації кінетична енергія частинки розподіляється серед складових частин ядра. Саме ж стан ядра буде поступово сильно ускладнюватися. Під час цього процесу на якомусь нуклонах або ж цілому кластері (групі нуклонів) може бути сконцентрована енергія, достатня для емісії цього нуклона з ядра. Подальша релаксація призведе до формування статистичної рівноваги і утворення складеного ядра.

Ланцюгові реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Це послідовність її складових частин. Тобто множинні послідовні поодинокі ядерні реакції, викликані зарядженими частинками, з`являються як продукти реакції на попередніх кроках. Що називається ланцюговою ядерною реакцією? Наприклад, поділ важких ядер, коли множинні акти поділу ініціюються отриманими при попередніх розпадах нейтронами.

Особливості ланцюгової ядерної реакції

Серед усіх хімічних реакцій великого поширення набули саме ланцюгові. Частинки з невикористаними зв`язками виконують роль вільних атомів або радикалів. При такому процесі, як ланцюгова ядерна реакція, механізм її протікання забезпечують нейтрони, які не мають кулонівського бар`єру і збуджують ядро при поглинанні. Якщо в середовищі з`являється необхідна частинка, то вона викликає ланцюг подальших перетворень, які триватимуть до розриву ланцюга через втрату частки-носія.

Чому втрачається носій

Є всього дві причини втрати частки-носія безперервного ланцюга реакцій. Перша полягає в поглинанні частинки без процесу випускання вторинної. Друга - догляд частинки за межу обсягу речовини, яка підтримує ланцюговий процес.

Два типи процесу

Якщо в кожному періоді ланцюгової реакції народжується виключно одинична частинка-носій, то можна назвати цей процес нерозгалуженим. Вона не може привести до виділення енергії у великих масштабах. Якщо ж з`явилося багато частинок-носіїв, то це називається розгалуженої реакцією. Що таке ланцюгова ядерна реакція з розгалуженням? Одна з отриманих в попередньому акті вторинних частинок продовжить розпочату раніше ланцюг, а от інші створять нові реакції, які теж будуть гілкуватися. З цим процесом будуть конкурувати призводять до обриву процеси. Отримана в результаті ситуація буде породжувати специфічні критичні та граничні явища. Наприклад, якщо обривів більше, ніж чисто нових ланцюгів, то самоподдержіваніе реакції буде неможливим. Навіть якщо порушити її штучно, ввівши в цю середу потрібну кількість частинок, то процес все одно буде затухати з часом (зазвичай досить швидко). Якщо ж кількість нових ланцюгів буде перевершувати кількість обривів, то ланцюгова ядерна реакція почне поширюватися по всьому речовині.

Критичний стан

Критичним станом відокремлюють область стану речовини з розвиненою самоподдерживающейся ланцюговою реакцією, і область, де дана реакція неможлива взагалі. Цей параметр характеризується рівністю між кількістю нових ланцюгів і числом можливих обривів. Як і наявність вільної частинки-носія, критичний стан є основним пунктом в такому списку, як «умови здійснення ланцюгової ядерної реакції». Досягнення цього стану може бути визначено цілим рядом можливих факторів. Поділ ядра важкого елемента збуджується всього одним нейтроном. В результаті такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція поділу, з`являється більше нейтронів. Отже, цей процес може призвести розгалужену реакцію, де носіями і виступатимуть нейтрони. У тому випадку, коли швидкість захоплень нейтронів без поділу або вильотів (швидкість втрати) буде компенсуватися швидкістю розмноження несучих частинок, то ланцюгова реакція буде протікати в стаціонарному режимі. Це рівність характеризує коефіцієнт розмноження. У наведеним вище випадку він дорівнює одиниці. В ядерній енергетиці завдяки введенню негативного зворотного зв`язку між швидкістю виділення енергії і коефіцієнтом розмноження можливо здійснити управління протіканням ядерної реакції. Якщо ж цей коефіцієнт буде більше ніж одиниця, то реакція буде розвиватися по експоненті. Некеровані ланцюгові реакції використовують в ядерній зброї.

Ланцюгова ядерна реакція в енергетиці

Реактивність реактора визначається великою кількістю процесів, які відбуваються в його активній зоні. Всі ці впливи визначаються так званим коефіцієнтом реактивності. Вплив зміни температури графітових стрижнів, теплоносіїв або урану на реактивність реактора та інтенсивність протікання такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція, характеризуються температурним коефіцієнтом (по теплоносію, по урану, за графіту). Також є залежні характеристики по потужності, по барометричним показниками, по паровим показниками. Для підтримки ядерної реакції в реакторі необхідно перетворення одних елементів в інші. Для цього потрібно враховувати умови протікання ланцюгової ядерної реакції - наявність речовини, яке здатне ділитися і виділяти з себе при розпаді деяку кількість елементарних частинок, які, як наслідок, будуть викликати поділ решти ядер. В якості такої речовини найчастіше використовують уран-238, уран-235, плутоній-239. Під час проходження ланцюгової ядерної реакції ізотопи даних елементів будуть розпадатися і утворювати два і більше інших хімічних речовин. При цьому процесі випромінюються так звані «гамма» -промені, відбувається інтенсивне виділення енергії, утворюються два або три нейтрона, здатні продовжити акти реакції. Розрізняють повільні нейтрони і швидкі, адже для того щоб ядро атома розпалося, ці частинки повинні пролетіти з певною швидкістю.