Relatiivsusteooria ütleb, et mass on eriline energiavorm. Sellest järeldub, et massi on võimalik muuta energiaks ja energiat massiks. Aatomisisesel tasandil sellised reaktsioonid toimuvad. Eelkõige võib osa aatomituuma enda massist muutuda energiaks. See juhtub mitmel viisil. Esiteks võib tuum laguneda mitmeks väiksemaks tuumaks, seda reaktsiooni nimetatakse "lagunemiseks". Teiseks võivad väiksemad tuumad hõlpsasti ühendada suuremaks – see on ühinemisreaktsioon. Universumis on sellised reaktsioonid väga levinud. Piisab, kui öelda, et termotuumasünteesi reaktsioon on tähtede energiaallikas. Kuid inimkond kasutab lagunemisreaktsiooni tuumareaktorites, kuna inimesed on õppinud neid keerulisi protsesse juhtima. Aga mis on tuuma ahelreaktsioon? Kuidas seda hallata?
Mis juhtub aatomi tuumas
Tuuma ahelreaktsioon on protsess, mis toimub elementaarosakeste või tuumade põrkumisel teiste tuumadega. Miks "kett"? See on järjestikuste üksikute tuumareaktsioonide kogum. Selle protsessi tulemusena toimub algtuuma kvantoleku ja nukleoni koostise muutus, tekivad isegi uued osakesed - reaktsiooniproduktid. Tuuma ahelreaktsioon, mille füüsika võimaldab uurida tuumade vastastikmõju mehhanisme tuumade ja osakestega, on peamine meetod uute elementide ja isotoopide saamiseks. Selleks, et mõista ahelreaktsiooni kulgu, tuleb esm alt tegeleda üksikutega.
Mida on reaktsiooniks vaja
Sellise protsessi nagu tuuma ahelreaktsiooni läbiviimiseks on vaja osakesed (tuum ja nukleon, kaks tuuma) üksteisele lähendada tugeva vastasmõju raadiuse kaugusel (umbes üks fermi). Kui vahemaad on suured, on laetud osakeste interaktsioon puht alt kulon. Tuumareaktsioonis järgitakse kõiki seadusi: energia jäävus, impulss, impulss, barüonilaeng. Tuuma ahelreaktsiooni tähistatakse sümbolikogumiga a, b, c, d. Sümbol a tähistab algset tuuma, b sissetulevat osakest, c uut väljuvat osakest ja d saadud tuuma.
Reaktsioonienergia
Tuuma ahelreaktsioon võib toimuda nii neeldumisel kui ka energia vabanemisel, mis võrdub reaktsioonijärgse ja enne seda osakeste masside erinevusega. Neeldunud energia määrab kokkupõrke minimaalse kineetilise energia,tuumareaktsiooni nn lävi, mille juures see võib vab alt kulgeda. See lävi sõltub interaktsioonis osalevatest osakestest ja nende omadustest. Algstaadiumis on kõik osakesed etteantud kvantolekus.
Reaktsiooni rakendamine
Tuuma pommitavate laetud osakeste peamine allikas on osakeste kiirendi, mis toodab prootonite, raskete ioonide ja kergete tuumade kiiri. Aeglased neutronid saadakse tuumareaktorite kasutamisega. Juhtuvate laetud osakeste fikseerimiseks saab kasutada erinevat tüüpi tuumareaktsioone, nii ühinemist kui ka lagunemist. Nende tõenäosus sõltub põrkuvate osakeste parameetritest. Seda tõenäosust seostatakse sellise tunnusega nagu reaktsiooni ristlõige - efektiivse ala väärtus, mis iseloomustab tuuma kui langevate osakeste sihtmärki ja mis on osakese ja tuuma vastasmõju tõenäosuse mõõt. Kui reaktsioonis osalevad nullist erineva spinniga osakesed, siis sõltub ristlõige otseselt nende orientatsioonist. Kuna langevate osakeste spinnid ei ole täiesti juhuslikult orienteeritud, vaid enam-vähem järjestatud, on kõik korpusklid polariseeritud. Orienteeritud kiirte spinnide kvantitatiivseid omadusi kirjeldab polarisatsioonivektor.
Reaktsioonimehhanism
Mis on tuuma ahelreaktsioon? Nagu juba mainitud, on see lihtsamate reaktsioonide jada. Langeva osakese omadused ja vastastikmõju tuumaga sõltuvad massist, laengust,kineetiline energia. Interaktsiooni määrab kokkupõrke ajal ergastuvate tuumade vabadusaste. Kõigi nende mehhanismide üle kontrolli saavutamine võimaldab sellist protsessi nagu kontrollitud tuuma ahelreaktsioon.
Otsereaktsioonid
Kui laetud osake, mis tabab sihttuuma, puudutab seda ainult, on kokkupõrke kestus võrdne kaugusega, mis on vajalik tuuma raadiuse kauguse ületamiseks. Sellist tuumareaktsiooni nimetatakse otseseks reaktsiooniks. Kõigi seda tüüpi reaktsioonide ühine omadus on väikese arvu vabadusastmete ergastamine. Sellises protsessis on osakesel pärast esimest kokkupõrget veel piisav alt energiat, et tuumatõmbejõust üle saada. Näiteks sellised vastasmõjud nagu neutronite mitteelastne hajumine, laenguvahetus ja viitavad otsesele. Selliste protsesside panus karakteristikusse, mida nimetatakse "kogu ristlõikeks", on üsna tühine. Otsese tuumareaktsiooni läbimise produktide jaotus võimaldab aga määrata kiire suuna nurga alt põgenemise tõenäosust, kvantarvusid, asustatud olekute selektiivsust ja määrata nende struktuuri.
Tasakaalueelne emissioon
Kui osake pärast esimest kokkupõrget tuuma interaktsiooni piirkonnast ei lahku, osaleb ta terves järjestikuste kokkupõrgete kaskaadis. See on tegelikult just see, mida nimetatakse tuuma ahelreaktsiooniks. Selle olukorra tulemusena jaotub osakese kineetiline energiatuuma koostisosad. Tuuma enda seisund muutub järk-järgult palju keerulisemaks. Selle protsessi käigus saab teatud nukleon või terve klaster (nukleonide rühm) koondada energiat, mis on piisav selle nukleoni tuumast väljutamiseks. Edasine lõdvestumine viib statistilise tasakaalu moodustumiseni ja liittuuma moodustumiseni.
Ahelreaktsioonid
Mis on tuuma ahelreaktsioon? See on selle koostisosade järjestus. See tähendab, et mitmed järjestikused üksikud tuumareaktsioonid, mis on põhjustatud laetud osakestest, ilmuvad eelmistes etappides reaktsiooniproduktidena. Mis on tuuma ahelreaktsioon? Näiteks raskete tuumade lõhustumine, kui eelmiste lagunemiste käigus saadud neutronid käivitavad mitu lõhustumist.
Tuuma ahelreaktsiooni tunnused
Kõigi keemiliste reaktsioonide hulgas kasutatakse laialdaselt ahelreaktsioone. Kasutamata sidemetega osakesed mängivad vabade aatomite või radikaalide rolli. Sellises protsessis, nagu tuumaahelreaktsioon, tagavad selle toimumise mehhanismi neutronid, millel puudub Coulombi barjäär ja mis erutavad tuuma neeldumisel. Kui vajalik osake ilmub söötmesse, põhjustab see järgnevate teisenduste ahela, mis jätkub kuni ahel katkeb kandjaosakese kadumise tõttu.
Miks operaator on kadunud
Pideva reaktsiooniahela kandjaosakeste kadumisel on ainult kaks põhjust. Esimene on osakese neeldumine ilma emissioonitateisejärguline. Teine on osakese lahkumine ahelprotsessi toetava aine mahu piirist.
Kaks tüüpi protsesse
Kui ahelreaktsiooni igal perioodil sünnib ainult üks kandjaosake, siis võib seda protsessi nimetada hargnemata. See ei saa kaasa tuua suuremahulist energia vabanemist. Kui kandeosakesi on palju, nimetatakse seda hargnenud reaktsiooniks. Mis on tuuma ahelreaktsioon hargnemisega? Üks eelmises aktis saadud sekundaarosakestest jätkab varem alustatud ahelat, teised aga tekitavad uusi reaktsioone, mis samuti hargnevad. See protsess hakkab konkureerima protsessidega, mis viivad katkemiseni. Sellest tulenev olukord põhjustab konkreetseid kriitilisi ja piiravaid nähtusi. Näiteks kui katkestusi on rohkem kui puht alt uusi ahelaid, siis on reaktsiooni isemajandav toime võimatu. Isegi kui see ergastatakse kunstlikult, sisestades teatud keskkonda vajaliku arvu osakesi, laguneb protsess aja jooksul (tavaliselt üsna kiiresti). Kui uute ahelate arv ületab katkestuste arvu, hakkab tuuma ahelreaktsioon levima kogu aines.
Kriitiline seisund
Kriitiline olek eraldab arenenud isemajanduva ahelreaktsiooniga aine oleku ala ja piirkonna, kus see reaktsioon on üldse võimatu. Seda parameetrit iseloomustab uute ahelate arvu ja võimalike katkestuste arvu võrdsus. Nagu vaba kandjaosakese olemasolu, kriitilineolek on sellises loendis nagu "tuumaahelreaktsiooni rakendamise tingimused" põhipunkt. Selle seisundi saavutamise võivad määrata mitmed võimalikud tegurid. Raske elemendi tuuma lõhustumist ergastab vaid üks neutron. Sellise protsessi nagu tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni tulemusena tekib rohkem neutroneid. Seetõttu võib see protsess tekitada hargnenud reaktsiooni, kus neutronid toimivad kandjatena. Juhul, kui neutronite kinnipüüdmise kiirus ilma lõhustumiseta või põgenemiseta (kadukiirus) kompenseeritakse kandjaosakeste paljunemise kiirusega, toimub ahelreaktsioon statsionaarses režiimis. See võrdsus iseloomustab korrutustegurit. Ül altoodud juhul on see võrdne ühega. Tuumaenergias on tänu negatiivse tagasiside sisseviimisele energia vabanemise kiiruse ja korrutusteguri vahel võimalik juhtida tuumareaktsiooni kulgu. Kui see koefitsient on suurem kui üks, areneb reaktsioon eksponentsiaalselt. Tuumarelvades kasutatakse kontrollimatuid ahelreaktsioone.
Tuuma ahelreaktsioon energeetikas
Reaktori reaktsioonivõime määrab suur hulk selle südamikus toimuvaid protsesse. Kõik need mõjud määratakse nn reaktsioonivõime koefitsiendiga. Grafiitvarraste, jahutusvedelike või uraani temperatuurimuutuste mõju reaktori reaktsioonivõimele ja sellise protsessi nagu tuumaahelreaktsiooni intensiivsust iseloomustab temperatuurikoefitsient (jahutusvedeliku puhul, uraani puhul, grafiidi puhul). Samuti on sõltuvad karakteristikud võimsuse, baromeetriliste näitajate, aurunäitajate osas. Tuumareaktsiooni säilitamiseks reaktoris on vaja muuta mõned elemendid teisteks. Selleks on vaja arvestada tuuma ahelreaktsiooni kulgemise tingimustega - aine olemasolu, mis on võimeline lagunemise ajal jagunema ja eraldama endast teatud arvu elementaarosakesi, mis selle tulemusena, põhjustab ülejäänud tuumade lõhustumise. Sellise ainena kasutatakse sageli uraan-238, uraan-235, plutoonium-239. Tuuma ahelreaktsiooni käigus lagunevad nende elementide isotoobid ja moodustuvad kaks või enam muud kemikaali. Selles protsessis eralduvad niinimetatud "gamma" kiired, toimub intensiivne energia vabanemine, moodustub kaks või kolm neutronit, mis on võimelised reaktsioonitoiminguid jätkama. On aeglased ja kiired neutronid, sest selleks, et aatomituum laguneks, peavad need osakesed lendama teatud kiirusega.
