Ланцуговая ядзерная рэакцыя. Умовы ажыццяўлення ланцуговай ядзернай рэакцыі

Тэорыя адноснасці кажа, што маса - гэта асаблівая форма энергіі. З гэтага вынікае, што можна пераўтварыць масу ў энергію і энергію ў масу. На внутриатомном узроўні такія рэакцыі маюць месца. У прыватнасці, некаторы колькасць масы самога атамнага ядра цалкам можа ператварыцца ў энергію. Гэта адбываецца па некалькіх шляхоў. Па-першае, ядро можа распасціся на некаторы колькасць больш дробных ядраў, гэтая рэакцыя называецца «распадам». Па-другое, больш дробныя ядра могуць папросту злучыцца, каб атрымалася больш буйное, - гэта рэакцыя сінтэзу. У Сусвеце такія рэакцыі вельмі распаўсюджаны. Дастаткова сказаць, што рэакцыя сінтэзу - крыніца энергіі для зорак. А вось рэакцыя распаду выкарыстоўваецца чалавецтвам на атамных рэактарах, так як людзі навучыліся кантраляваць гэтыя складаныя працэсы. Але што ж такое ланцуговая ядзерная рэакцыя? Як ёю кіраваць?

Што адбываецца ў ядры атама

Ланцуговая ядзерная рэакцыя - працэс, які ідзе пры сутыкненні элементарных часціц або ядраў з іншымі ядрамі. Чаму «ланцуговая»? Гэта сукупнасць паслядоўных адзіночных ядзерных рэакцый. У выніку гэтага працэсу адбываецца змена квантавага стану і нуклонов складу ў зыходнага ядра, з'яўляюцца нават новыя часціцы - прадукты рэакцыі. Ланцуговая ядзерная рэакцыя, фізіка якой дазваляе даследаваць механізмы ўзаемадзеяння ядраў з ядрамі і з часціцамі, - гэта асноўны метад для атрымання новых элементаў і ізатопаў. Для таго каб зразумець праходжанне ланцуговай рэакцыі, трэба спачатку разабрацца з адзінкавымі.

Што трэба для рэакцыі

Для таго каб ажыццявіць такі працэс, як ланцуговая ядзерная рэакцыя, неабходна зблізіць часціцы (ядро і нуклонов, два ядра) на адлегласць радыусу моцнага ўзаемадзеяння (прыкладна адзін фермаў). Калі адлегласці вялікія, то узаемадзеянне зараджаных часціц будзе чыста кулонаўскімі. У ядзернай рэакцыі выконваюцца ўсе законы: захаванне энергіі, моманту, імпульсу, барионного зарада. Ланцуговая ядзерная рэакцыя пазначаецца наборам знакаў а, b, с, d. Сімвал а пазначае зыходнае ядро, b - налятаюць часціцу, с - новую вылятаць часціцу, а d пазначае выніковае ядро.

энергія рэакцыі

Ланцуговая ядзерная рэакцыя можа праходзіць як з паглынаннем, так і з вылучэннем энергіі, якая складае рознасці мас часціц пасля рэакцыі і да яе. Паглынаецца энергія вызначае мінімальную кінэтычную энергію сутыкнення, так званы парог ядзернай рэакцыі, пры якой яна можа свабодна працякаць. Дадзены парог залежыць ад часціц, якія ўдзельнічаюць ва ўзаемадзеянні, і ад іх характарыстык. На пачатковым этапе ўсе часціцы знаходзяцца ў загадзя вызначаным квантавым стане.

ажыццяўленне рэакцыі

Асноўнай крыніцай зараджаных часціц, якія бамбуюць ядро, з'яўляецца паскаральнік зараджаных часціц, які дае пучкі пратонаў, цяжкіх іонаў і лёгкіх ядраў. Павольныя нейтроны атрымліваюць дзякуючы выкарыстанню ядзерных рэактараў. Для фіксацыі стрэчнай зараджаных часціц могуць быць выкарыстаны розныя тыпы ядзерных рэакцый - як сінтэзу, так і распаду. Верагоднасць іх залежыць ад параметраў часціц, якія сутыкаюцца. З гэтай верагоднасцю звязаная такая характарыстыка, як перасек рэакцыі - велічыня эфектыўнай плошчы, якая характарызуе ядро ў якасці мішэні для стрэчнай часціц і якая з'яўляецца мерай верагоднасці ўступлення часціцы і ядра ва ўзаемадзеянне. Калі ў рэакцыі прымаюць удзел часціцы з ненулявое значэнне спіна, то перасек напрамую залежыць ад іх арыентацыі. Так як спіны стрэчнай часціц арыентаваны не зусім хаатычна, а больш-менш упорядоченно, то ўсё корпускул будуць палярызаванае. Колькасная характарыстыка арыентаваных спіной пучка апісваецца вектарам палярызацыі.

механізм рэакцыі

Што такое ланцуговая ядзерная рэакцыя? Як ужо гаварылася, гэта паслядоўнасць больш простых рэакцый. Характарыстыкі налятаюць часціцы і яе ўзаемадзеяння з ядром залежаць ад масы, зарада, кінэтычнай энергіі. Ўзаемадзеянне вызначаецца ступенню свабоды ядраў, якія і узбуджаюцца пры сутыкненні. Атрыманне кантролю над усімі гэтымі механізмамі дазваляе праводзіць такі працэс, як кіраваная ланцуговая ядзерная рэакцыя.

прамыя рэакцыі

Калі зараджаная часціца, якая налятае на ядро-мішэнь, толькі дакранецца да яго, то працягласць сутыкнення будзе роўная неабходнаму для пераадолення адлегласці радыусу ядра. Такую ядзерную рэакцыю называюць прамой. Агульнай характарыстыкай для ўсіх рэакцый такога тыпу з'яўляецца ўзбуджэнне малога ліку ступеняў волі. У такім працэсе пасля першага сутыкнення часціца мае яшчэ дастаткова энергіі для пераадолення ядзернага прыцягнення. Да прыкладу, такія ўзаемадзеяння, як няпругкія рассейванне нейтронаў, абмен зарада, і ставяцца да прамых. Ўклад такіх працэсаў у характарыстыку пад назвай "поўнае сячэнне" дастаткова мізэрны. Аднак размеркаванне прадуктаў праходжання прамой ядзернай рэакцыі дазваляе вызначыць верагоднасць вылету ад кута напрамкі пучка, квантавыя лікі, селектыўнасць заселеных станаў і вызначыць іх структуру.

Предравновесная эмісія

Калі часціца ня пакіне вобласць ядзернага ўзаемадзеяння пасля першага ж сутыкнення, то яна будзе ўцягнутая ў цэлы каскад з паслядоўных сутыкненняў. Гэта фактычна як раз тое, што называецца ланцуговай ядзернай рэакцыяй. У выніку такой сітуацыі кінэтычная энергія часціцы размяркоўваецца сярод складнікаў частак ядра. Само ж стан ядра будзе паступова моцна ўскладняцца. Падчас гэтага працэсу на нейкім нуклонов ці ж цэлым кластары (групе нуклонов) можа быць сканцэнтраваная энергія, дастатковая для эмісіі гэтага нуклонов з ядра. Далейшая рэлаксацыя прывядзе да фарміравання статыстычнага раўнавагі і адукацыі складовага ядра.

ланцуговыя рэакцыі

Што такое ланцуговая ядзерная рэакцыя? Гэта паслядоўнасць яе складовых частак. Гэта значыць множныя паслядоўныя адзінкавыя ядзерныя рэакцыі, выкліканыя зараджанымі часціцамі, з'яўляюцца як прадукты рэакцыі на папярэдніх кроках. Што называецца ланцуговай ядзернай рэакцыяй? Да прыкладу, дзяленне цяжкіх ядраў, калі множныя акты дзялення ініцыююцца атрыманымі пры папярэдніх распаду нейтронах.

Асаблівасці ланцуговай ядзернай рэакцыі

Сярод усіх хімічных рэакцый вялікі распаўсюд атрымалі менавіта ланцужныя. Часціцы з нявыкарыстанымі сувязямі выконваюць ролю свабодных атамаў або радыкалаў. Пры такім працэсе, як ланцуговая ядзерная рэакцыя, механізм яе праходжання забяспечваюць нейтроны, якія не маюць кулонаўскімі бар'ера і ўзбуджаюць ядро пры паглынанні. Калі ў асяроддзі з'яўляецца неабходная часціца, то яна выклікае ланцуг наступных ператварэнняў, якія будуць працягвацца да разрыву ланцугу з-за страты часціцы-носьбіта.

Чаму губляецца носьбіт

Ёсць толькі дзве прычыны страты часціцы-носьбіта бесперапыннай ланцугу рэакцый. Першая заключаецца ў паглынанні часціцы без працэсу выпускання другаснай. Другая - сыход часцінкі за мяжа аб'ёму рэчывы, якое падтрымлівае ланцуговай працэс.

Два тыпу працэсу

Калі ў кожным перыядзе ланцуговай рэакцыі нараджаецца выключна адзінкавая часцінка-носьбіт, то можна назваць гэты працэс неразветвленную. Яна не можа прывесці да выдзялення энергіі ў вялікіх маштабах. Калі ж з'явілася шмат часціц-носьбітаў, то гэта называецца разгалінаванай рэакцыяй. Што такое ланцуговая ядзерная рэакцыя з разгалінаваннем? Адна з атрыманых у папярэднім акце другасных часціц працягне распачатую раней ланцуг, а вось іншыя створаць новыя рэакцыі, якія таксама будуць галінавацца. З гэтым працэсам будуць канкураваць якія прыводзяць да абрыву працэсы. Атрыманая ў выніку сітуацыя будзе спараджаць спецыфічныя крытычныя і гранічныя з'явы. Напрыклад, калі абрываў больш, чым чыста новых ланцугоў, то самоподдерживание рэакцыі будзе немагчымым. Нават калі распачаць яе штучна, увёўшы ў дадзеную сераду патрэбную колькасць часціц, то працэс усё роўна будзе згасаць з часам (звычайна даволі хутка). Калі ж колькасць новых ланцугоў будзе пераўзыходзіць колькасць абрываў, то ланцуговая ядзерная рэакцыя пачне распаўсюджвацца па ўсім рэчыву.

крытычны стан

Крытычным станам аддзяляюць вобласць стану рэчыва з развітой самападтрымоўваемаму ланцуговай рэакцыяй, і вобласць, дзе дадзеная рэакцыя немагчымая наогул. Гэты параметр характарызуецца роўнасцю паміж колькасцю новых ланцугоў і лікам магчымых абрываў. Як і наяўнасць вольнай часціцы-носьбіта, крытычны стан з'яўляецца асноўным пунктам у такім спісе, як «умовы ажыццяўлення ланцуговай ядзернай рэакцыі». Дасягненне гэтага стану можа быць вызначана цэлым шэрагам магчымых фактараў. Дзяленне ядра цяжкага элемента ўзбуджаецца ўсяго адным нейтрона. У выніку такога працэсу, як ланцуговая ядзерная рэакцыя дзялення, з'яўляецца больш нейтронаў. Такім чынам, гэты працэс можа вырабіць разгалінаваную рэакцыю, дзе носьбітамі і будуць выступаць нейтроны. У тым выпадку, калі хуткасць захопаў нейтронаў без падзелу або вылетаў (хуткасць страты) будзе кампенсавацца хуткасцю размнажэння апорных часціц, то ланцуговая рэакцыя будзе працякаць у стацыянарным рэжыме. Гэта роўнасць характарызуе каэфіцыент размнажэння. У прыведзеных вышэй выпадку ён роўны адзінцы. У ядзернай энергетыцы дзякуючы ўвядзенні адмоўнай зваротнай сувязі паміж хуткасцю выдзялення энергіі і каэфіцыентам размнажэння магчыма ажыццявіць кіраванне праходжаннем ядзернай рэакцыі. Калі ж гэты каэфіцыент будзе больш чым адзінка, то рэакцыя пойдзе па экспаненце. Некіравальныя ланцуговыя рэакцыі выкарыстоўваюць у ядзерную зброю.

Ланцуговая ядзерная рэакцыя ў энергетыцы

Рэактыўнасць рэактара вызначаецца вялікай колькасцю працэсаў, якія адбываюцца ў яго актыўнай зоне. Усе гэтыя ўплыву вызначаюцца так званым каэфіцыентам рэактыўнасці. Уплыў змены тэмпературы графітавых стрыжняў, цепланосбітаў або ўрану на рэактыўнасць рэактара і інтэнсіўнасць праходжання такога працэсу, як ланцуговая ядзерная рэакцыя, характарызуюцца тэмпературным каэфіцыентам (па цепланосбіта, па ўране, па графіту). Таксама ёсць залежныя характарыстыкі па магутнасці, па бараметрычнага паказчыках, па паравым паказчыках. Для падтрымання ядзернай рэакцыі ў рэактары неабходна ператварэнне адных элементаў у іншыя. Для гэтага трэба ўлічваць умовы працякання ланцуговай ядзернай рэакцыі - наяўнасць рэчывы, якое здольна дзяліцца і вылучаць з сябе пры распадзе некаторы колькасць элементарных часціц, якія, як следства, будуць выклікаць дзяленне астатніх ядраў. У якасці такога рэчыва часцяком выкарыстоўваюць уран-238, уран-235, плутоній-239. Падчас праходжання ланцуговай ядзернай рэакцыі ізатопы дадзеных элементаў будуць распадацца і ўтвараць два і больш іншых хімічных рэчываў. Пры гэтым працэсе выпраменьваюцца так званыя «гама» -лучи, адбываецца інтэнсіўнае вылучэнне энергіі, утвараюцца два ці тры нейтрона, здольныя працягнуць акты рэакцыі. Адрозніваюць павольныя нейтроны і хуткія, бо для таго каб ядро атама распалася, гэтыя часцінкі павінны праляцець з пэўнай хуткасцю.