A teoria da relatividade diz que a massa é uma forma especial de energia. Segue-se que é possível converter massa em energia e energia em massa. No nível intraatômico, tais reações ocorrem. Em particular, parte da massa do próprio núcleo atômico pode se transformar em energia. Isso acontece de várias maneiras. Primeiro, o núcleo pode decair em vários núcleos menores, essa reação é chamada de "decaimento". Em segundo lugar, núcleos menores podem facilmente se combinar para formar um maior - esta é uma reação de fusão. No universo, tais reações são muito comuns. Basta dizer que a reação de fusão é a fonte de energia para as estrelas. Mas a reação de decaimento é usada pela humanidade em reatores nucleares, pois as pessoas aprenderam a controlar esses processos complexos. Mas o que é uma reação nuclear em cadeia? Como gerenciá-lo?
O que acontece no núcleo de um átomo
Uma reação nuclear em cadeia é um processo que ocorre quando partículas elementares ou núcleos colidem com outros núcleos. Por que "cadeia"? Este é um conjunto de reações nucleares simples sucessivas. Como resultado desse processo, ocorre uma mudança no estado quântico e na composição do núcleo do núcleo original, até novas partículas aparecem - produtos de reação. A reação nuclear em cadeia, cuja física permite estudar os mecanismos de interação de núcleos com núcleos e com partículas, é o principal método de obtenção de novos elementos e isótopos. Para entender o fluxo de uma reação em cadeia, é preciso primeiro lidar com as reações isoladas.
O que é necessário para a reação
Para realizar um processo como uma reação nuclear em cadeia, é necessário aproximar as partículas (um núcleo e um nucleon, dois núcleos) a uma distância do raio de interação forte (cerca de um fermi). Se as distâncias forem grandes, então a interação de partículas carregadas será puramente Coulombiana. Em uma reação nuclear, todas as leis são observadas: conservação de energia, quantidade de movimento, quantidade de movimento, carga bariônica. Uma reação nuclear em cadeia é indicada pelo conjunto de símbolos a, b, c, d. O símbolo a denota o núcleo original, b a partícula que entra, c a nova partícula que sai e d o núcleo resultante.
Energia de reação
Uma reação nuclear em cadeia pode ocorrer tanto com absorção quanto com liberação de energia, que é igual à diferença das massas das partículas após a reação e antes dela. A energia absorvida determina a energia cinética mínima da colisão,o chamado limiar de uma reação nuclear, no qual ela pode prosseguir livremente. Este limiar depende das partículas envolvidas na interação e de suas características. No estágio inicial, todas as partículas estão em um estado quântico predeterminado.
Implementação de reação
A principal fonte de partículas carregadas que bombardeiam o núcleo é o acelerador de partículas, que produz feixes de prótons, íons pesados e núcleos leves. Os nêutrons lentos são obtidos através do uso de reatores nucleares. Para fixar partículas carregadas incidentes, podem ser usados diferentes tipos de reações nucleares, tanto de fusão quanto de decaimento. Sua probabilidade depende dos parâmetros das partículas que colidem. Essa probabilidade está associada a uma característica como a seção de choque da reação - o valor da área efetiva, que caracteriza o núcleo como alvo de partículas incidentes e que é uma medida da probabilidade de que a partícula e o núcleo entrem em interação. Se partículas com spin diferente de zero participam da reação, a seção transversal depende diretamente de sua orientação. Como os spins das partículas incidentes não são completamente orientados aleatoriamente, mas mais ou menos ordenados, todos os corpúsculos serão polarizados. A característica quantitativa dos spins do feixe orientado é descrita pelo vetor de polarização.
Mecanismo de reação
O que é uma reação nuclear em cadeia? Como já mencionado, esta é uma sequência de reações mais simples. As características da partícula incidente e sua interação com o núcleo dependem da massa, carga,energia cinética. A interação é determinada pelo grau de liberdade dos núcleos, que são excitados durante a colisão. Ganhar o controle de todos esses mecanismos permite um processo como uma reação nuclear em cadeia controlada.
Reações diretas
Se uma partícula carregada que atinge o núcleo alvo apenas o toca, então a duração da colisão será igual à distância necessária para superar a distância do raio do núcleo. Essa reação nuclear é chamada de reação direta. Uma característica comum para todas as reações deste tipo é a excitação de um pequeno número de graus de liberdade. Nesse processo, após a primeira colisão, a partícula ainda tem energia suficiente para vencer a atração nuclear. Por exemplo, tais interações como espalhamento inelástico de nêutrons, troca de carga e referem-se a direta. A contribuição de tais processos para a característica chamada "seção transversal total" é bastante desprezível. No entanto, a distribuição dos produtos da passagem de uma reação nuclear direta permite determinar a probabilidade de escape do ângulo de direção do feixe, os números quânticos, a seletividade dos estados povoados e determinar sua estrutura.
Emissão de pré-equilíbrio
Se a partícula não sair da região de interação nuclear após a primeira colisão, ela estará envolvida em toda uma cascata de colisões sucessivas. Na verdade, isso é apenas o que é chamado de reação nuclear em cadeia. Como resultado desta situação, a energia cinética da partícula é distribuída entrepartes constituintes do núcleo. O estado do próprio núcleo gradualmente se tornará muito mais complicado. Durante este processo, um certo nucleon ou um cluster inteiro (um grupo de nucleons) pode concentrar energia suficiente para a emissão deste nucleon do núcleo. Relaxamento adicional levará à formação de equilíbrio estatístico e à formação de um núcleo composto.
Reações em cadeia
O que é uma reação nuclear em cadeia? Esta é a sequência de suas partes constituintes. Ou seja, várias reações nucleares simples sucessivas causadas por partículas carregadas aparecem como produtos de reação nas etapas anteriores. O que é uma reação nuclear em cadeia? Por exemplo, a fissão de núcleos pesados, quando múltiplos eventos de fissão são iniciados por nêutrons obtidos durante decaimentos anteriores.
Características de uma reação nuclear em cadeia
Entre todas as reações químicas, as reações em cadeia são amplamente utilizadas. Partículas com ligações não utilizadas desempenham o papel de átomos ou radicais livres. Em um processo como uma reação nuclear em cadeia, o mecanismo de sua ocorrência é fornecido por nêutrons, que não possuem barreira de Coulomb e excitam o núcleo após a absorção. Se a partícula necessária aparecer no meio, ela causará uma cadeia de transformações subsequentes que continuarão até que a cadeia se quebre devido à perda da partícula transportadora.
Por que a operadora está perdida
Existem apenas duas razões para a perda da partícula transportadora de uma cadeia contínua de reações. A primeira é a absorção da partícula sem o processo de emissãosecundário. A segunda é a saída da partícula além do limite do volume da substância que suporta o processo em cadeia.
Dois tipos de processo
Se apenas uma única partícula transportadora nasce em cada período da reação em cadeia, então esse processo pode ser chamado de não ramificado. Não pode levar à liberação de energia em grande escala. Se houver muitas partículas transportadoras, isso é chamado de reação ramificada. O que é uma reação nuclear em cadeia com ramificação? Uma das partículas secundárias obtidas no ato anterior continuará a cadeia iniciada anteriormente, enquanto as outras criarão novas reações que também se ramificarão. Este processo irá competir com os processos que levam à ruptura. A situação resultante dará origem a fenômenos críticos e limitantes específicos. Por exemplo, se houver mais quebras do que cadeias puramente novas, a autossustentação da reação será impossível. Mesmo que seja excitado artificialmente pela introdução do número necessário de partículas em um determinado meio, o processo ainda decairá com o tempo (geralmente bastante rapidamente). Se o número de novas cadeias exceder o número de quebras, uma reação nuclear em cadeia começará a se espalhar por toda a substância.
Condição crítica
O estado crítico separa a área do estado da matéria com uma reação em cadeia autossustentável desenvolvida e a área onde essa reação é impossível. Este parâmetro é caracterizado pela igualdade entre o número de novos circuitos e o número de interrupções possíveis. Assim como a presença de uma partícula portadora livre, o ponto críticoestado é o principal item dessa lista como "condições para a implementação de uma reação nuclear em cadeia". A conquista desse estado pode ser determinada por vários fatores possíveis. A fissão do núcleo de um elemento pesado é excitada por apenas um nêutron. Como resultado de um processo como uma reação em cadeia de fissão nuclear, mais nêutrons são produzidos. Portanto, esse processo pode produzir uma reação ramificada, onde os nêutrons atuarão como transportadores. No caso em que a taxa de captura de nêutrons sem fissão ou escape (taxa de perda) é compensada pela taxa de multiplicação das partículas transportadoras, a reação em cadeia prosseguirá de modo estacionário. Essa igualdade caracteriza o fator de multiplicação. No caso acima, é igual a um. Na energia nuclear, devido à introdução de um feedback negativo entre a taxa de liberação de energia e o fator de multiplicação, é possível controlar o curso de uma reação nuclear. Se este coeficiente for maior que um, então a reação se desenvolverá exponencialmente. Reações em cadeia descontroladas são usadas em armas nucleares.
Reação em cadeia nuclear em energia
A reatividade de um reator é determinada por um grande número de processos que ocorrem em seu núcleo. Todas essas influências são determinadas pelo chamado coeficiente de reatividade. O efeito das mudanças na temperatura das barras de grafite, refrigerantes ou urânio na reatividade do reator e a intensidade de um processo como uma reação em cadeia nuclear são caracterizados por um coeficiente de temperatura (para refrigerante, urânio, grafite). Existem também características dependentes em termos de potência, em termos de indicadores barométricos, em termos de indicadores de vapor. Para manter uma reação nuclear em um reator, é necessário converter alguns elementos em outros. Para fazer isso, é necessário levar em consideração as condições para o fluxo de uma reação nuclear em cadeia - a presença de uma substância capaz de se dividir e liberar de si mesma durante o decaimento de um certo número de partículas elementares, que, como resultado, causará a fissão dos núcleos restantes. Como tal substância, urânio-238, urânio-235, plutônio-239 são frequentemente usados. Durante a passagem de uma reação nuclear em cadeia, os isótopos desses elementos decairão e formarão dois ou mais outros produtos químicos. Nesse processo, são emitidos os chamados raios "gama", ocorre uma intensa liberação de energia, formam-se dois ou três nêutrons, capazes de dar continuidade aos atos da reação. Existem nêutrons lentos e rápidos, porque para que o núcleo de um átomo se desintegre, essas partículas devem voar a uma certa velocidade.
