La teoria de la relativitat diu que la massa és una forma especial d'energia. Es dedueix que és possible convertir la massa en energia i l'energia en massa. A nivell intraatòmic, aquestes reaccions tenen lloc. En particular, part de la massa del nucli atòmic pot convertir-se en energia. Això passa de diverses maneres. En primer lloc, el nucli pot desintegrar-se en una sèrie de nuclis més petits, aquesta reacció s'anomena "desintegració". En segon lloc, els nuclis més petits es poden combinar fàcilment per fer-ne un de més gran: aquesta és una reacció de fusió. A l'univers, aquestes reaccions són molt freqüents. N'hi ha prou amb dir que la reacció de fusió és la font d'energia de les estrelles. Però la reacció de desintegració és utilitzada per la humanitat als reactors nuclears, ja que la gent ha après a controlar aquests complexos processos. Però, què és una reacció nuclear en cadena? Com gestionar-ho?
Què passa al nucli d'un àtom
Una reacció nuclear en cadena és un procés que es produeix quan les partícules o nuclis elementals xoquen amb altres nuclis. Per què "cadena"? Aquest és un conjunt de reaccions nuclears úniques successives. Com a resultat d'aquest procés, es produeix un canvi en l'estat quàntic i la composició de nucleons del nucli original, fins i tot apareixen noves partícules: productes de reacció. La reacció nuclear en cadena, la física de la qual permet estudiar els mecanismes d'interacció dels nuclis amb els nuclis i amb les partícules, és el principal mètode per obtenir nous elements i isòtops. Per entendre el flux d'una reacció en cadena, primer s'ha de tractar amb les reaccions individuals.
Què es necessita per a la reacció
Per dur a terme un procés com una reacció nuclear en cadena, cal acostar les partícules (un nucli i un nucleó, dos nuclis) a una distància del radi d'interacció fort (aproximadament un fermi). Si les distàncies són grans, aleshores la interacció de les partícules carregades serà purament de Coulomb. En una reacció nuclear s'observen totes les lleis: conservació de l'energia, moment, moment, càrrega barió. Una reacció nuclear en cadena es denota amb el conjunt de símbols a, b, c, d. El símbol a denota el nucli original, b la partícula entrant, c la nova partícula sortint i d el nucli resultant.
Energia de reacció
Una reacció nuclear en cadena pot tenir lloc tant amb absorció com amb alliberament d'energia, que és igual a la diferència de masses de partícules després de la reacció i abans d'aquesta. L'energia absorbida determina l'energia cinètica mínima de la col·lisió,l'anomenat llindar d'una reacció nuclear, en el qual pot procedir lliurement. Aquest llindar depèn de les partícules implicades en la interacció i de les seves característiques. En l'etapa inicial, totes les partícules es troben en un estat quàntic predeterminat.
Implementació de la reacció
La principal font de partícules carregades que bombardegen el nucli és l'accelerador de partícules, que produeix feixos de protons, ions pesats i nuclis lleugers. Els neutrons lents s'obtenen mitjançant l'ús de reactors nuclears. Per fixar partícules carregades incidents, es poden utilitzar diferents tipus de reaccions nuclears, tant de fusió com de desintegració. La seva probabilitat depèn dels paràmetres de les partícules que xoquen. Aquesta probabilitat s'associa amb una característica com la secció transversal de reacció: el valor de l'àrea efectiva, que caracteritza el nucli com a objectiu per a les partícules incidents i que és una mesura de la probabilitat que la partícula i el nucli entrin en interacció. Si les partícules amb un gir diferent de zero participen en la reacció, aleshores la secció transversal depèn directament de la seva orientació. Com que els girs de les partícules incidents no estan totalment orientats aleatòriament, sinó més o menys ordenats, tots els corpuscles estaran polaritzats. La característica quantitativa dels girs del feix orientat es descriu pel vector de polarització.
Mecanisme de reacció
Què és una reacció nuclear en cadena? Com ja s'ha esmentat, aquesta és una seqüència de reaccions més senzilles. Les característiques de la partícula incident i la seva interacció amb el nucli depenen de la massa, càrrega,energia cinètica. La interacció ve determinada pel grau de llibertat dels nuclis, que són excitats durant la col·lisió. Obtenir el control de tots aquests mecanismes permet un procés com ara una reacció nuclear en cadena controlada.
Reaccions directes
Si una partícula carregada que colpeja el nucli objectiu només la toca, aleshores la durada de la col·lisió serà igual a la distància necessària per superar la distància del radi del nucli. Aquesta reacció nuclear s'anomena reacció directa. Una característica comuna a totes les reaccions d'aquest tipus és l'excitació d'un petit nombre de graus de llibertat. En aquest procés, després de la primera col·lisió, la partícula encara té prou energia per superar l'atracció nuclear. Per exemple, interaccions com la dispersió inelàstica de neutrons, l'intercanvi de càrrega i es refereixen a directe. La contribució d'aquests processos a la característica anomenada "secció transversal total" és bastant insignificant. Tanmateix, la distribució dels productes del pas d'una reacció nuclear directa permet determinar la probabilitat d'escapament des de l'angle de direcció del feix, els nombres quàntics, la selectivitat dels estats poblats i determinar la seva estructura.
Emissió prèvia a l'equilibri
Si la partícula no abandona la regió d'interacció nuclear després de la primera col·lisió, llavors estarà implicada en tota una cascada de col·lisions successives. Això és realment el que s'anomena una reacció nuclear en cadena. Com a resultat d'aquesta situació, l'energia cinètica de la partícula es distribueix entre ellesparts constituents del nucli. L'estat del nucli en si es complicarà gradualment. Durant aquest procés, un determinat nucleó o un cúmul sencer (un grup de nucleons) pot concentrar l'energia suficient per a l'emissió d'aquest nucleó des del nucli. Una relaxació addicional conduirà a la formació d'un equilibri estadístic i a la formació d'un nucli compost.
Reaccions en cadena
Què és una reacció nuclear en cadena? Aquesta és la seqüència de les seves parts constitutives. És a dir, múltiples reaccions nuclears úniques successives causades per partícules carregades apareixen com a productes de reacció en els passos anteriors. Què és una reacció nuclear en cadena? Per exemple, la fissió de nuclis pesats, quan s'inicien múltiples esdeveniments de fissió per neutrons obtinguts durant desintegracions anteriors.
Característiques d'una reacció nuclear en cadena
Entre totes les reaccions químiques, les reaccions en cadena s'utilitzen àmpliament. Les partícules amb enllaços no utilitzats juguen el paper d'àtoms o radicals lliures. En un procés com una reacció en cadena nuclear, el mecanisme de la seva aparició el proporcionen els neutrons, que no tenen barrera de Coulomb i exciten el nucli després de l'absorció. Si la partícula necessària apareix al medi, llavors provoca una cadena de transformacions posteriors que continuarà fins que la cadena es trenqui a causa de la pèrdua de la partícula portadora.
Per què es perd l'operador
Només hi ha dues raons per a la pèrdua de la partícula portadora d'una cadena contínua de reaccions. La primera és l'absorció de la partícula sense el procés d'emissiósecundària. El segon és la sortida de la partícula més enllà del límit del volum de la substància que suporta el procés en cadena.
Dos tipus de processos
Si només neix una partícula portadora en cada període de la reacció en cadena, aquest procés es pot anomenar no ramificat. No pot conduir a l'alliberament d'energia a gran escala. Si hi ha moltes partícules portadores, això s'anomena reacció ramificada. Què és una reacció nuclear en cadena amb ramificació? Una de les partícules secundàries obtingudes en l'acte anterior continuarà la cadena iniciada anteriorment, mentre que les altres crearan noves reaccions que també es ramificaran. Aquest procés competirà amb els processos que condueixen a la ruptura. La situació resultant donarà lloc a fenòmens crítics i limitants específics. Per exemple, si hi ha més trencaments que cadenes purament noves, serà impossible l'autososteniment de la reacció. Fins i tot si s'excita artificialment introduint el nombre requerit de partícules en un medi determinat, el procés encara es desintegrarà amb el temps (normalment bastant ràpidament). Si el nombre de cadenes noves supera el nombre de trencaments, una reacció nuclear en cadena començarà a estendre's per tota la substància.
Estat crític
L'estat crític separa l'àrea de l'estat de la matèria amb una reacció en cadena autosostenida desenvolupada i l'àrea on aquesta reacció és impossible. Aquest paràmetre es caracteritza per la igu altat entre el nombre de nous circuits i el nombre de possibles trencaments. Com la presència d'una partícula portadora lliure, la críticaL'estat és l'element principal d'una llista com a "condicions per a la implementació d'una reacció nuclear en cadena". L'assoliment d'aquest estat pot estar determinat per una sèrie de possibles factors. La fissió del nucli d'un element pesat és excitada per un sol neutró. Com a resultat d'un procés com una reacció en cadena de fissió nuclear, es produeixen més neutrons. Per tant, aquest procés pot produir una reacció ramificada, on els neutrons actuaran com a portadors. En el cas que la velocitat de captures de neutrons sense fissió o escapades (taxa de pèrdua) es compensa amb la velocitat de multiplicació de les partícules portadores, aleshores la reacció en cadena procedirà en un mode estacionari. Aquesta igu altat caracteritza el factor de multiplicació. En el cas anterior, és igual a un. En l'energia nuclear, a causa de la introducció d'una retroalimentació negativa entre la velocitat d'alliberament d'energia i el factor de multiplicació, és possible controlar el curs d'una reacció nuclear. Si aquest coeficient és superior a un, la reacció es desenvoluparà de manera exponencial. Les reaccions en cadena no controlades s'utilitzen en armes nuclears.
Reacció nuclear en cadena en energia
La reactivitat d'un reactor ve determinada per un gran nombre de processos que es produeixen al seu nucli. Totes aquestes influències estan determinades per l'anomenat coeficient de reactivitat. L'efecte dels canvis en la temperatura de les barres de grafit, els refrigerants o l'urani sobre la reactivitat del reactor i la intensitat d'un procés com una reacció nuclear en cadena es caracteritzen per un coeficient de temperatura (per a refrigerant, per a urani, per a grafit). També hi ha característiques dependents pel que fa a la potència, pel que fa als indicadors baromètrics, pel que fa als indicadors de vapor. Per mantenir una reacció nuclear en un reactor, cal convertir uns elements en altres. Per fer-ho, cal tenir en compte les condicions del flux d'una reacció nuclear en cadena: la presència d'una substància que és capaç de dividir-se i alliberar d'ella mateixa durant la desintegració un cert nombre de partícules elementals, que, com a resultat,, provocarà la fissió dels nuclis restants. Com a tal substància, s'utilitzen sovint urani-238, urani-235, plutoni-239. Durant el pas d'una reacció nuclear en cadena, els isòtops d'aquests elements es desintegraran i formaran dues o més substàncies químiques més. En aquest procés s'emeten els anomenats raigs "gamma", es produeix una intensa alliberació d'energia, es formen dos o tres neutrons, capaços de continuar els actes de reacció. Hi ha neutrons lents i ràpids, perquè perquè el nucli d'un àtom es desintegri, aquestes partícules han de volar a una velocitat determinada.
