Relativitātes teorija saka, ka masa ir īpašs enerģijas veids. No tā izriet, ka ir iespējams masu pārvērst enerģijā un enerģiju masā. Intraatomiskā līmenī šādas reakcijas notiek. Jo īpaši daļa no paša atoma kodola masas var pārvērsties enerģijā. Tas notiek vairākos veidos. Pirmkārt, kodols var sadalīties vairākos mazākos kodolos, šo reakciju sauc par "sabrukšanu". Otrkārt, mazākus kodolus var viegli apvienot, lai izveidotu lielāku - tā ir saplūšanas reakcija. Visumā šādas reakcijas ir ļoti izplatītas. Pietiek pateikt, ka kodolsintēzes reakcija ir zvaigžņu enerģijas avots. Bet sabrukšanas reakciju cilvēce izmanto kodolreaktoros, jo cilvēki ir iemācījušies kontrolēt šos sarežģītos procesus. Bet kas ir kodolķēdes reakcija? Kā to pārvaldīt?
Kas notiek atoma kodolā
Kodola ķēdes reakcija ir process, kas notiek elementārdaļiņām vai kodoliem saduroties ar citiem kodoliem. Kāpēc "ķēde"? Šis ir secīgu atsevišķu kodolreakciju kopums. Šī procesa rezultātā notiek sākotnējā kodola kvantu stāvokļa un nukleonu sastāva izmaiņas, parādās pat jaunas daļiņas - reakcijas produkti. Kodolķēdes reakcija, kuras fizika ļauj pētīt kodolu mijiedarbības mehānismus ar kodoliem un daļiņām, ir galvenā metode jaunu elementu un izotopu iegūšanai. Lai izprastu ķēdes reakcijas gaitu, vispirms jātiek galā ar atsevišķiem.
Kas vajadzīgs reakcijai
Lai veiktu tādu procesu kā kodola ķēdes reakcija, ir nepieciešams tuvināt daļiņas (kodols un nukleons, divi kodoli) spēcīgās mijiedarbības rādiusa attālumā (apmēram viens fermi). Ja attālumi ir lieli, tad uzlādēto daļiņu mijiedarbība būs tīri Kulona. Kodolreakcijā tiek ievēroti visi likumi: enerģijas saglabāšana, impulss, impulss, bariona lādiņš. Kodolķēdes reakciju apzīmē ar simbolu kopu a, b, c, d. Simbols a apzīmē sākotnējo kodolu, b apzīmē ienākošo daļiņu, c jauno izejošo daļiņu un d apzīmē iegūto kodolu.
Reakcijas enerģija
Kodola ķēdes reakcija var notikt gan ar absorbciju, gan ar enerģijas izdalīšanos, kas ir vienāda ar daļiņu masu starpību pēc reakcijas un pirms tās. Absorbētā enerģija nosaka sadursmes minimālo kinētisko enerģiju,tā sauktais kodolreakcijas slieksnis, pie kura tā var brīvi noritēt. Šis slieksnis ir atkarīgs no mijiedarbībā iesaistītajām daļiņām un to īpašībām. Sākotnējā stadijā visas daļiņas atrodas iepriekš noteiktā kvantu stāvoklī.
Reakcijas ieviešana
Galvenais lādētu daļiņu avots, kas bombardē kodolu, ir daļiņu paātrinātājs, kas rada protonu, smago jonu un vieglo kodolu starus. Lēni neitroni tiek iegūti, izmantojot kodolreaktorus. Lai fiksētu nejauši lādētas daļiņas, var izmantot dažāda veida kodolreakcijas, gan saplūšanu, gan sabrukšanu. To iespējamība ir atkarīga no sadursmē esošo daļiņu parametriem. Šī iespējamība ir saistīta ar tādu raksturlielumu kā reakcijas šķērsgriezums - efektīvā laukuma vērtība, kas raksturo kodolu kā krītošu daļiņu mērķi un kas mēra varbūtību, ka daļiņa un kodols nonāks mijiedarbībā. Ja reakcijā piedalās daļiņas ar griešanos, kas nav nulle, tad šķērsgriezums ir tieši atkarīgs no to orientācijas. Tā kā krītošo daļiņu spini nav pilnībā nejauši orientēti, bet vairāk vai mazāk sakārtoti, visi asinsķermenīši būs polarizēti. Orientētā stara spinu kvantitatīvo raksturlielumu apraksta polarizācijas vektors.
Reakcijas mehānisms
Kas ir kodolķēdes reakcija? Kā jau minēts, šī ir vienkāršāku reakciju secība. Krītošās daļiņas īpašības un tās mijiedarbība ar kodolu ir atkarīgas no masas, lādiņa,kinētiskā enerģija. Mijiedarbību nosaka sadursmes laikā ierosināto kodolu brīvības pakāpe. Kontroles iegūšana pār visiem šiem mehānismiem nodrošina tādu procesu kā kontrolēta kodolķēdes reakcija.
Tiešas reakcijas
Ja lādēta daļiņa, kas ietriecas mērķa kodolā, tai tikai pieskaras, tad sadursmes ilgums būs vienāds ar attālumu, kas nepieciešams, lai pārvarētu kodola rādiusa attālumu. Šādu kodolreakciju sauc par tiešu reakciju. Visām šāda veida reakcijām kopīga iezīme ir neliela skaita brīvības pakāpju ierosināšana. Šādā procesā pēc pirmās sadursmes daļiņai joprojām ir pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu kodola pievilcību. Piemēram, tādas mijiedarbības kā neitronu neelastīga izkliede, lādiņu apmaiņa un attiecas uz tiešu. Šādu procesu ieguldījums raksturojumā, ko sauc par "kopējo šķērsgriezumu", ir diezgan niecīgs. Taču tiešas kodolreakcijas pārejas produktu sadalījums ļauj noteikt izkļūšanas varbūtību no staru kūļa virziena leņķa, kvantu skaitļus, apdzīvoto stāvokļu selektivitāti un noteikt to struktūru.
Pirmslīdzsvara emisija
Ja daļiņa pēc pirmās sadursmes neatstāj kodola mijiedarbības reģionu, tā tiks iesaistīta veselā secīgu sadursmju kaskādē. Tas patiesībā ir tikai tas, ko sauc par kodolķēdes reakciju. Šīs situācijas rezultātā daļiņas kinētiskā enerģija tiek sadalīta starpkodola sastāvdaļas. Paša kodola stāvoklis pakāpeniski kļūs daudz sarežģītāks. Šī procesa laikā noteikts nukleons vai vesela kopa (nukleonu grupa) var koncentrēt enerģiju, kas ir pietiekama šī nukleona emisijai no kodola. Turpmāka atslābināšana novedīs pie statistiskā līdzsvara veidošanās un saliktā kodola veidošanās.
Ķēdes reakcijas
Kas ir kodolķēdes reakcija? Šī ir tā sastāvdaļu secība. Tas ir, vairākas secīgas atsevišķas kodolreakcijas, ko izraisa uzlādētas daļiņas, iepriekšējos posmos parādās kā reakcijas produkti. Kas ir kodola ķēdes reakcija? Piemēram, smago kodolu dalīšanās, kad vairākus dalīšanās notikumus ierosina neitroni, kas iegūti iepriekšējo sabrukšanas laikā.
Kodolķēdes reakcijas pazīmes
Starp visām ķīmiskajām reakcijām plaši tiek izmantotas ķēdes reakcijas. Daļiņas ar neizmantotām saitēm spēlē brīvo atomu vai radikāļu lomu. Tādā procesā kā kodolenerģijas ķēdes reakcija tās rašanās mehānismu nodrošina neitroni, kuriem nav Kulona barjeras un uzbudina kodolu pēc absorbcijas. Ja barotnē parādās vajadzīgā daļiņa, tad tas izraisa sekojošu transformāciju ķēdi, kas turpināsies, līdz ķēde pārtrūkst nesējdaļiņas zuduma dēļ.
Kāpēc mobilo sakaru operators ir pazaudēts
Nepārtrauktas reakciju ķēdes nesējdaļiņas zudumam ir tikai divi iemesli. Pirmais ir daļiņas absorbcija bez emisijas procesasekundārais. Otrais ir daļiņas aiziešana ārpus tās vielas tilpuma robežas, kas atbalsta ķēdes procesu.
Divi procesa veidi
Ja katrā ķēdes reakcijas periodā dzimst tikai viena nesējdaļiņa, tad šo procesu var saukt par nesazarotu. Tas nevar novest pie enerģijas atbrīvošanas lielā mērogā. Ja ir daudz nesējdaļiņu, tad to sauc par sazarotu reakciju. Kas ir kodola ķēdes reakcija ar atzarojumu? Viena no iepriekšējā cēlienā iegūtajām sekundārajām daļiņām turpinās agrāk iesākto ķēdi, bet pārējās radīs jaunas reakcijas, kas arī sazarosies. Šis process konkurēs ar procesiem, kas noved pie pārtraukuma. Rezultātā radusies situācija izraisīs īpašas kritiskas un ierobežojošas parādības. Piemēram, ja ir vairāk pārtraukumu nekā tīri jaunas ķēdes, tad reakcijas pašpietiekamība būs neiespējama. Pat ja tas tiek mākslīgi ierosināts, ievadot nepieciešamo daļiņu skaitu dotajā vidē, process ar laiku tomēr samazināsies (parasti diezgan ātri). Ja jaunu ķēžu skaits pārsniedz pārtraukumu skaitu, tad kodola ķēdes reakcija sāks izplatīties visā vielā.
Kritisks stāvoklis
Kritiskais stāvoklis atdala vielas stāvokļa apgabalu ar attīstītu pašpietiekamu ķēdes reakciju un apgabalu, kurā šī reakcija vispār nav iespējama. Šo parametru raksturo vienlīdzība starp jauno ķēžu skaitu un iespējamo pārtraukumu skaitu. Tāpat kā brīvas nesējdaļiņas klātbūtne, kritiskāstāvoklis ir galvenā pozīcija tādā sarakstā kā "nosacījumi kodolķēdes reakcijas īstenošanai". Šī stāvokļa sasniegšanu var noteikt vairāki iespējamie faktori. Smagā elementa kodola skaldīšanu ierosina tikai viens neitrons. Tāda procesa kā kodola skaldīšanas ķēdes reakcijas rezultātā rodas vairāk neitronu. Tāpēc šis process var radīt sazarotu reakciju, kurā neitroni darbosies kā nesēji. Gadījumā, ja neitronu uztveršanas ātrums bez skaldīšanas vai izplūdes (zaudēšanas ātrums) tiek kompensēts ar nesējdaļiņu pavairošanas ātrumu, ķēdes reakcija turpināsies stacionārā režīmā. Šī vienlīdzība raksturo reizināšanas koeficientu. Iepriekš minētajā gadījumā tas ir vienāds ar vienu. Kodolenerģētikā, pateicoties negatīvas atgriezeniskās saites ieviešanai starp enerģijas izdalīšanās ātrumu un reizināšanas koeficientu, ir iespējams kontrolēt kodolreakcijas gaitu. Ja šis koeficients ir lielāks par vienu, reakcija attīstīsies eksponenciāli. Kodolieročos tiek izmantotas nekontrolētas ķēdes reakcijas.
Kodolķēdes reakcija enerģētikā
Reaktora reaktivitāti nosaka liels skaits procesu, kas notiek tā kodolā. Visas šīs ietekmes nosaka tā sauktais reaktivitātes koeficients. Grafīta stieņu, dzesēšanas šķidrumu vai urāna temperatūras izmaiņu ietekmi uz reaktora reaktivitāti un tāda procesa kā kodolķēdes reakcijas intensitāti raksturo temperatūras koeficients (dzesēšanas šķidrumam, urānam, grafītam). Ir arī atkarīgi raksturlielumi attiecībā uz jaudu, attiecībā uz barometriskajiem rādītājiem, attiecībā uz tvaika indikatoriem. Lai uzturētu kodolreakciju reaktorā, daži elementi ir jāpārvērš citos. Lai to izdarītu, ir jāņem vērā kodola ķēdes reakcijas plūsmas nosacījumi - vielas klātbūtne, kas sabrukšanas laikā spēj sadalīties un atbrīvot no sevis noteiktu skaitu elementārdaļiņu, kuras rezultātā., izraisīs atlikušo kodolu sadalīšanos. Kā šādu vielu bieži izmanto urānu-238, urānu-235, plutoniju-239. Kodolķēdes reakcijas laikā šo elementu izotopi sadalīsies un veidos divas vai vairākas citas ķīmiskas vielas. Šajā procesā tiek izstaroti tā sauktie "gamma" stari, notiek intensīva enerģijas izdalīšanās, veidojas divi vai trīs neitroni, kas spēj turpināt reakcijas aktus. Ir lēni un ātri neitroni, jo, lai atoma kodols sadalītos, šīm daļiņām ir jālido ar noteiktu ātrumu.
