Teoria e relativitetit thotë se masa është një formë e veçantë e energjisë. Nga kjo rrjedh se është e mundur të shndërrohet masa në energji dhe energjia në masë. Në nivelin intraatomik ndodhin reaksione të tilla. Në veçanti, një pjesë e masës së vetë bërthamës atomike mund të kthehet në energji. Kjo ndodh në disa mënyra. Së pari, bërthama mund të kalbet në një numër bërthamash më të vogla, ky reagim quhet "prishje". Së dyti, bërthamat më të vogla mund të kombinohen lehtësisht për të bërë një më të madhe - ky është një reagim shkrirje. Në univers, reagime të tilla janë shumë të zakonshme. Mjafton të thuhet se reaksioni i shkrirjes është burimi i energjisë për yjet. Por reagimi i kalbjes përdoret nga njerëzimi në reaktorët bërthamorë, pasi njerëzit kanë mësuar të kontrollojnë këto procese komplekse. Por çfarë është një reaksion zinxhir bërthamor? Si ta menaxhoni atë?
Çfarë ndodh në bërthamën e një atomi
Një reaksion zinxhir bërthamor është një proces që ndodh kur grimcat elementare ose bërthamat përplasen me bërthama të tjera. Pse "zinxhir"? Ky është një grup reaksionesh të njëpasnjëshme bërthamore. Si rezultat i këtij procesi, ndodh një ndryshim në gjendjen kuantike dhe përbërjen e nukleonit të bërthamës origjinale, madje shfaqen grimca të reja - produkte të reagimit. Reaksioni zinxhir bërthamor, fizika e të cilit ju lejon të studioni mekanizmat e bashkëveprimit të bërthamave me bërthamat dhe grimcat, është metoda kryesore për marrjen e elementeve dhe izotopeve të rinj. Për të kuptuar rrjedhën e një reaksioni zinxhir, së pari duhet të merret me ato të vetme.
Çfarë nevojitet për reagimin
Për të kryer një proces të tillë si një reaksion zinxhir bërthamor, është e nevojshme të afrohen grimcat (një bërthamë dhe një nukleon, dy bërthama) në një distancë të rrezes së fortë të ndërveprimit (rreth një fermi). Nëse distancat janë të mëdha, atëherë bashkëveprimi i grimcave të ngarkuara do të jetë thjesht Kulomb. Në një reaksion bërthamor, respektohen të gjitha ligjet: ruajtja e energjisë, momenti, momenti, ngarkesa e barionit. Një reaksion zinxhir bërthamor shënohet me grupin e simboleve a, b, c, d. Simboli a tregon bërthamën origjinale, b grimcën hyrëse, c grimcën e re dalëse dhe d bërthamën që rezulton.
Energjia e reagimit
Një reaksion zinxhir bërthamor mund të ndodhë si me thithjen ashtu edhe me çlirimin e energjisë, e cila është e barabartë me ndryshimin në masat e grimcave pas reaksionit dhe para tij. Energjia e absorbuar përcakton energjinë minimale kinetike të përplasjes,i ashtuquajturi pragu i një reaksioni bërthamor, në të cilin mund të vazhdojë lirisht. Ky prag varet nga grimcat e përfshira në ndërveprim dhe nga karakteristikat e tyre. Në fazën fillestare, të gjitha grimcat janë në një gjendje kuantike të paracaktuar.
Zbatimi i reagimit
Burimi kryesor i grimcave të ngarkuara që bombardojnë bërthamën është përshpejtuesi i grimcave, i cili prodhon rreze protonesh, jonesh të rënda dhe bërthama të lehta. Neutronet e ngad alta fitohen përmes përdorimit të reaktorëve bërthamorë. Për të rregulluar grimcat e ngarkuara nga incidenti, mund të përdoren lloje të ndryshme të reaksioneve bërthamore, si të shkrirjes ashtu edhe të kalbjes. Probabiliteti i tyre varet nga parametrat e grimcave që përplasen. Ky probabilitet shoqërohet me një karakteristikë të tillë si seksioni kryq i reagimit - vlera e zonës efektive, e cila karakterizon bërthamën si një objektiv për grimcat e incidentit dhe që është një masë e probabilitetit që grimca dhe bërthama të hyjnë në ndërveprim. Nëse grimcat me një rrotullim jozero marrin pjesë në reaksion, atëherë seksioni kryq varet drejtpërdrejt nga orientimi i tyre. Meqenëse rrotullimet e grimcave përplasëse nuk janë plotësisht të orientuara rastësisht, por pak a shumë të renditura, të gjitha korpuskulat do të polarizohen. Karakteristika sasiore e rrotullimeve të rrezeve të orientuara përshkruhet nga vektori i polarizimit.
Mekanizmi i reagimit
Çfarë është një reaksion zinxhir bërthamor? Siç është përmendur tashmë, kjo është një sekuencë reagimesh më të thjeshta. Karakteristikat e grimcës së rënë dhe ndërveprimi i saj me bërthamën varen nga masa, ngarkesa,energjia kinetike. Ndërveprimi përcaktohet nga shkalla e lirisë së bërthamave, të cilat ngacmohen gjatë përplasjes. Marrja e kontrollit të të gjithë këtyre mekanizmave lejon një proces të tillë si një reaksion zinxhir i kontrolluar bërthamor.
Reagime të drejtpërdrejta
Nëse një grimcë e ngarkuar që godet bërthamën e synuar e prek vetëm atë, atëherë kohëzgjatja e përplasjes do të jetë e barabartë me distancën e nevojshme për të kapërcyer distancën e rrezes së bërthamës. Një reaksion i tillë bërthamor quhet reagim i drejtpërdrejtë. Një karakteristikë e përbashkët për të gjitha reagimet e këtij lloji është ngacmimi i një numri të vogël të shkallëve të lirisë. Në një proces të tillë, pas përplasjes së parë, grimca ka ende energji të mjaftueshme për të kapërcyer tërheqjen bërthamore. Për shembull, ndërveprime të tilla si shpërndarja joelastike e neutroneve, shkëmbimi i ngarkesës dhe referohen drejtpërdrejt. Kontributi i këtyre proceseve në karakteristikën e quajtur "prerje tërthore totale" është mjaft i papërfillshëm. Megjithatë, shpërndarja e produkteve të kalimit të një reaksioni të drejtpërdrejtë bërthamor bën të mundur përcaktimin e probabilitetit të ikjes nga këndi i drejtimit të rrezes, numrat kuantikë, selektivitetin e gjendjeve të populluara dhe përcaktimin e strukturës së tyre.
Emetim para-ekuilibrit
Nëse grimca nuk largohet nga rajoni i ndërveprimit bërthamor pas përplasjes së parë, atëherë ajo do të përfshihet në një kaskadë të tërë përplasjesh të njëpasnjëshme. Ky është në fakt pikërisht ajo që quhet një reaksion zinxhir bërthamor. Si rezultat i kësaj situate, energjia kinetike e grimcave shpërndahet ndërmjetpjesë përbërëse të bërthamës. Gjendja e vetë bërthamës gradualisht do të bëhet shumë më e ndërlikuar. Gjatë këtij procesi, një nukleon i caktuar ose një grup i tërë (një grup nukleonesh) mund të përqendrojë energji të mjaftueshme për emetimin e këtij nukleoni nga bërthama. Relaksimi i mëtejshëm do të çojë në formimin e ekuilibrit statistikor dhe formimin e një bërthame të përbërë.
Reaksionet zinxhir
Çfarë është një reaksion zinxhir bërthamor? Kjo është sekuenca e pjesëve përbërëse të saj. Kjo do të thotë, reaksionet e shumta të njëpasnjëshme të vetme bërthamore të shkaktuara nga grimcat e ngarkuara shfaqen si produkte reagimi në hapat e mëparshëm. Çfarë është një reaksion zinxhir bërthamor? Për shembull, ndarja e bërthamave të rënda, kur ngjarjet e shumta të ndarjes inicohen nga neutronet e marra gjatë zbërthimeve të mëparshme.
Veçoritë e një reaksioni zinxhir bërthamor
Ndër të gjitha reaksionet kimike, reaksionet zinxhir përdoren gjerësisht. Grimcat me lidhje të papërdorura luajnë rolin e atomeve ose radikalëve të lirë. Në një proces të tillë si një reaksion zinxhir bërthamor, mekanizmi i shfaqjes së tij sigurohet nga neutronet, të cilët nuk kanë një pengesë Kulomb dhe ngacmojnë bërthamën pas përthithjes. Nëse grimca e nevojshme shfaqet në mjedis, atëherë ajo shkakton një zinxhir transformimesh të mëvonshme që do të vazhdojnë derisa zinxhiri të prishet për shkak të humbjes së grimcës bartëse.
Pse humbet operatori
Ka vetëm dy arsye për humbjen e grimcave bartëse të një zinxhiri të vazhdueshëm reaksionesh. E para është thithja e grimcave pa procesin e emetimitdytësore. E dyta është largimi i grimcës përtej kufirit të vëllimit të substancës që mbështet procesin e zinxhirit.
Dy lloje të procesit
Nëse vetëm një grimcë e vetme bartëse lind në çdo periudhë të reaksionit zinxhir, atëherë ky proces mund të quhet i padegëzuar. Nuk mund të çojë në çlirimin e energjisë në një shkallë të gjerë. Nëse ka shumë grimca bartëse, atëherë ky quhet një reaksion i degëzuar. Çfarë është një reaksion zinxhir bërthamor me degëzim? Njëra nga grimcat dytësore të marra në aktin e mëparshëm do të vazhdojë zinxhirin e nisur më herët, ndërsa të tjerat do të krijojnë reaksione të reja që do të degëzohen gjithashtu. Ky proces do të konkurrojë me proceset që çojnë në ndërprerje. Situata e krijuar do të shkaktojë fenomene specifike kritike dhe kufizuese. Për shembull, nëse ka më shumë thyerje sesa zinxhirë thjesht të rinj, atëherë vetë-qëndrimi i reagimit do të jetë i pamundur. Edhe nëse ngacmohet artificialisht duke futur numrin e kërkuar të grimcave në një mjedis të caktuar, procesi do të vazhdojë të kalbet me kalimin e kohës (zakonisht mjaft shpejt). Nëse numri i zinxhirëve të rinj tejkalon numrin e ndërprerjeve, atëherë një reaksion zinxhir bërthamor do të fillojë të përhapet në të gjithë substancën.
Gjendje kritike
Gjendja kritike ndan zonën e gjendjes së materies me një reaksion zinxhir të zhvilluar vetë-qëndrueshëm, dhe zonën ku ky reagim është fare i pamundur. Ky parametër karakterizohet nga barazia midis numrit të qarqeve të reja dhe numrit të ndërprerjeve të mundshme. Ashtu si prania e një grimce bartës të lirë, kritikeshteti është pika kryesore në një listë të tillë si "kushtet për zbatimin e një reaksioni zinxhir bërthamor". Arritja e kësaj gjendje mund të përcaktohet nga një sërë faktorësh të mundshëm. Ndarja e bërthamës së një elementi të rëndë ngacmohet nga vetëm një neutron. Si rezultat i një procesi të tillë si një reaksion zinxhir i ndarjes bërthamore, prodhohen më shumë neutrone. Prandaj, ky proces mund të prodhojë një reaksion të degëzuar, ku neutronet do të veprojnë si bartës. Në rastin kur shkalla e kapjes së neutronit pa ndarje ose ikje (shkalla e humbjes) kompensohet me shpejtësinë e shumëzimit të grimcave bartëse, atëherë reaksioni zinxhir do të vazhdojë në një mënyrë stacionare. Kjo barazi karakterizon faktorin e shumëzimit. Në rastin e mësipërm, është e barabartë me një. Në energjinë bërthamore, për shkak të futjes së një reagimi negativ midis shkallës së çlirimit të energjisë dhe faktorit të shumëzimit, është e mundur të kontrollohet rrjedha e një reaksioni bërthamor. Nëse ky koeficient është më i madh se një, atëherë reaksioni do të zhvillohet në mënyrë eksponenciale. Reaksionet zinxhirore të pakontrolluara përdoren në armët bërthamore.
Reaksioni zinxhir bërthamor në energji
Reaktiviteti i një reaktori përcaktohet nga një numër i madh procesesh që ndodhin në thelbin e tij. Të gjitha këto ndikime përcaktohen nga i ashtuquajturi koeficienti i reaktivitetit. Efekti i ndryshimeve në temperaturën e shufrave të grafitit, ftohësve ose uraniumit në reaktivitetin e reaktorit dhe intensitetin e një procesi të tillë si një reaksion zinxhir bërthamor karakterizohen nga një koeficient i temperaturës (për ftohësin, për uraniumin, për grafitin). Ka edhe karakteristika të varura për sa i përket fuqisë, për nga treguesit barometrikë, për sa i përket treguesve të avullit. Për të mbajtur një reaksion bërthamor në një reaktor, është e nevojshme të konvertohen disa elementë në të tjerë. Për ta bërë këtë, është e nevojshme të merren parasysh kushtet për rrjedhën e një reaksioni zinxhir bërthamor - prania e një substance që është në gjendje të ndajë dhe të çlirojë nga vetja gjatë kalbjes një numër të caktuar grimcash elementare, të cilat, si rezultat, do të shkaktojë ndarjen e bërthamave të mbetura. Si një substancë e tillë, shpesh përdoren uranium-238, uranium-235, plutonium-239. Gjatë kalimit të një reaksioni zinxhir bërthamor, izotopet e këtyre elementeve do të kalbet dhe do të formojnë dy ose më shumë kimikate të tjera. Në këtë proces, të ashtuquajturat rrezet "gama" lëshohen, ndodh një çlirim intensiv i energjisë, formohen dy ose tre neutrone, të afta për të vazhduar aktet e reaksionit. Ka neutrone të ngad altë dhe të shpejtë, sepse në mënyrë që bërthama e një atomi të shpërbëhet, këto grimca duhet të fluturojnë me një shpejtësi të caktuar.
