La teoria della relatività dice che la massa è una forma speciale di energia. Ne consegue che è possibile convertire la massa in energia e l'energia in massa. A livello intraatomico si verificano tali reazioni. In particolare, parte della massa del nucleo atomico stesso potrebbe trasformarsi in energia. Questo accade in diversi modi. Innanzitutto, il nucleo può decadere in un numero di nuclei più piccoli, questa reazione è chiamata "decadimento". In secondo luogo, i nuclei più piccoli possono facilmente combinarsi per formarne uno più grande: questa è una reazione di fusione. Nell'universo, tali reazioni sono molto comuni. Basti pensare che la reazione di fusione è la fonte di energia per le stelle. Ma la reazione di decadimento è usata dall'umanità nei reattori nucleari, poiché le persone hanno imparato a controllare questi processi complessi. Ma cos'è una reazione nucleare a catena? Come gestirlo?
Cosa succede nel nucleo di un atomo
Una reazione a catena nucleare è un processo che si verifica quando particelle elementari o nuclei entrano in collisione con altri nuclei. Perché "catena"? Questo è un insieme di reazioni nucleari singole successive. Come risultato di questo processo, si verifica un cambiamento nello stato quantistico e nella composizione del nucleone del nucleo originale, compaiono anche nuove particelle: prodotti di reazione. La reazione nucleare a catena, la cui fisica permette di studiare i meccanismi di interazione dei nuclei con i nuclei e con le particelle, è il metodo principale per ottenere nuovi elementi e isotopi. Per capire il flusso di una reazione a catena, bisogna prima occuparsi di singole reazioni.
Cosa serve per la reazione
Per eseguire un processo come una reazione nucleare a catena, è necessario avvicinare le particelle (un nucleo e un nucleone, due nuclei) a una distanza del raggio di interazione forte (circa un fermi). Se le distanze sono grandi, l'interazione delle particelle cariche sarà puramente Coulomb. In una reazione nucleare si osservano tutte le leggi: conservazione dell'energia, quantità di moto, quantità di moto, carica barionica. Una reazione nucleare a catena è indicata dall'insieme di simboli a, b, c, d. Il simbolo a indica il nucleo originale, b la particella in arrivo, c la nuova particella in uscita e d il nucleo risultante.
Energia di reazione
Una reazione nucleare a catena può avvenire sia con assorbimento che con rilascio di energia, che è uguale alla differenza delle masse delle particelle dopo la reazione e prima di essa. L'energia assorbita determina l'energia cinetica minima dell'urto,la cosiddetta soglia di una reazione nucleare, alla quale essa può procedere liberamente. Questa soglia dipende dalle particelle coinvolte nell'interazione e dalle loro caratteristiche. Nella fase iniziale, tutte le particelle si trovano in uno stato quantico predeterminato.
Implementazione della reazione
La principale fonte di particelle cariche che bombardano il nucleo è l'acceleratore di particelle, che produce fasci di protoni, ioni pesanti e nuclei leggeri. I neutroni lenti si ottengono attraverso l'uso di reattori nucleari. Per riparare le particelle cariche incidenti, possono essere utilizzati diversi tipi di reazioni nucleari, sia di fusione che di decadimento. La loro probabilità dipende dai parametri delle particelle che si scontrano. Questa probabilità è associata a una caratteristica come la sezione d'urto di reazione - il valore dell'area effettiva, che caratterizza il nucleo come bersaglio per le particelle incidenti e che è una misura della probabilità che la particella e il nucleo entrino in interazione. Se le particelle con spin diverso da zero prendono parte alla reazione, la sezione trasversale dipende direttamente dal loro orientamento. Poiché gli spin delle particelle incidenti non sono orientati in modo completamente casuale, ma più o meno ordinati, tutti i corpuscoli saranno polarizzati. La caratteristica quantitativa degli spin del raggio orientato è descritta dal vettore di polarizzazione.
Meccanismo di reazione
Cos'è una reazione a catena nucleare? Come già accennato, questa è una sequenza di reazioni più semplici. Le caratteristiche della particella incidente e la sua interazione con il nucleo dipendono dalla massa, carica,energia cinetica. L'interazione è determinata dal grado di libertà dei nuclei che vengono eccitati durante l'urto. Ottenere il controllo di tutti questi meccanismi consente un processo come una reazione a catena nucleare controllata.
Reazioni dirette
Se una particella carica che colpisce il nucleo bersaglio lo tocca, la durata della collisione sarà uguale alla distanza necessaria per superare la distanza del raggio del nucleo. Tale reazione nucleare è chiamata reazione diretta. Una caratteristica comune a tutte le reazioni di questo tipo è l'eccitazione di un piccolo numero di gradi di libertà. In tale processo, dopo la prima collisione, la particella ha ancora energia sufficiente per vincere l'attrazione nucleare. Ad esempio, interazioni come lo scattering anelastico di neutroni, lo scambio di carica e si riferiscono alla diretta. Il contributo di tali processi alla caratteristica denominata "sezione trasversale totale" è del tutto trascurabile. Tuttavia, la distribuzione dei prodotti del passaggio di una reazione nucleare diretta permette di determinare la probabilità di fuga dall'angolo di direzione del fascio, i numeri quantici, la selettività degli stati popolati e determinarne la struttura.
Emissione di pre-equilibrio
Se la particella non lascia la regione di interazione nucleare dopo la prima collisione, sarà coinvolta in un'intera cascata di collisioni successive. Questa è in re altà proprio quella che viene chiamata reazione a catena nucleare. Come risultato di questa situazione, l'energia cinetica della particella viene distribuita traparti costitutive del nucleo. Lo stato del nucleo stesso diventerà gradualmente molto più complicato. Durante questo processo, un certo nucleone o un intero cluster (un gruppo di nucleoni) può concentrare energia sufficiente per l'emissione di questo nucleone dal nucleo. Un ulteriore rilassamento porterà alla formazione dell'equilibrio statistico e alla formazione di un nucleo composto.
Reazioni a catena
Cos'è una reazione a catena nucleare? Questa è la sequenza delle sue parti costitutive. Cioè, più reazioni nucleari singole successive causate da particelle cariche appaiono come prodotti di reazione nei passaggi precedenti. Che cos'è una reazione a catena nucleare? Ad esempio, la fissione di nuclei pesanti, quando più eventi di fissione sono iniziati da neutroni ottenuti durante i precedenti decadimenti.
Caratteristiche di una reazione a catena nucleare
Tra tutte le reazioni chimiche, le reazioni a catena sono ampiamente utilizzate. Le particelle con legami inutilizzati svolgono il ruolo di atomi liberi o radicali. In un processo come una reazione a catena nucleare, il meccanismo del suo verificarsi è fornito dai neutroni, che non hanno una barriera coulombiana ed eccitano il nucleo al momento dell'assorbimento. Se la particella necessaria appare nel mezzo, provoca una catena di trasformazioni successive che continuerà fino a quando la catena si rompe a causa della perdita della particella vettore.
Perché il vettore è perso
Ci sono solo due ragioni per la perdita della particella vettore di una catena continua di reazioni. Il primo è l'assorbimento della particella senza il processo di emissionesecondario. La seconda è la partenza della particella oltre il limite del volume della sostanza che sostiene il processo a catena.
Due tipi di processo
Se in ogni periodo della reazione a catena nasce una sola particella vettore, allora questo processo può essere chiamato non ramificato. Non può portare al rilascio di energia su larga scala. Se ci sono molte particelle portanti, allora questa è chiamata reazione ramificata. Che cos'è una reazione a catena nucleare con ramificazione? Una delle particelle secondarie ottenute nell'atto precedente continuerà la catena iniziata in precedenza, mentre le altre creeranno nuove reazioni che si ramificheranno anche. Questo processo competerà con i processi che portano alla rottura. La situazione che ne deriverà darà luogo a specifici fenomeni critici e limitanti. Ad esempio, se ci sono più rotture che catene puramente nuove, l'autosostentamento della reazione sarà impossibile. Anche se viene eccitato artificialmente introducendo il numero richiesto di particelle in un dato mezzo, il processo decadrà comunque nel tempo (di solito piuttosto rapidamente). Se il numero di nuove catene supera il numero di interruzioni, una reazione a catena nucleare inizierà a diffondersi in tutta la sostanza.
Condizione critica
Lo stato critico separa l'area dello stato della materia con una reazione a catena autosufficiente sviluppata e l'area in cui questa reazione è del tutto impossibile. Questo parametro è caratterizzato dall'uguaglianza tra il numero di nuovi circuiti e il numero di possibili interruzioni. Come la presenza di una particella vettore libero, il criticolo stato è l'elemento principale in un elenco come "condizioni per l'attuazione di una reazione a catena nucleare". Il raggiungimento di questo stato può essere determinato da una serie di possibili fattori. La fissione del nucleo di un elemento pesante è eccitata da un solo neutrone. Come risultato di un processo come una reazione a catena di fissione nucleare, vengono prodotti più neutroni. Pertanto, questo processo può produrre una reazione ramificata, in cui i neutroni agiranno come vettori. Nel caso in cui la velocità di cattura del neutrone senza fissione o fuga (tasso di perdita) sia compensata dalla velocità di moltiplicazione delle particelle portatrici, la reazione a catena procederà in modo stazionario. Questa uguaglianza caratterizza il fattore di moltiplicazione. Nel caso precedente, è uguale a uno. Nell'energia nucleare, grazie all'introduzione di una retroazione negativa tra la velocità di rilascio dell'energia e il fattore di moltiplicazione, è possibile controllare l'andamento di una reazione nucleare. Se questo coefficiente è maggiore di uno, la reazione si svilupperà in modo esponenziale. Le reazioni a catena incontrollate sono usate nelle armi nucleari.
Reazione a catena nucleare in energia
La reattività di un reattore è determinata da un gran numero di processi che si verificano nel suo nucleo. Tutte queste influenze sono determinate dal cosiddetto coefficiente di reattività. L'effetto delle variazioni di temperatura delle barre di grafite, dei refrigeranti o dell'uranio sulla reattività del reattore e l'intensità di un processo come una reazione a catena nucleare sono caratterizzati da un coefficiente di temperatura (per il refrigerante, per l'uranio, per la grafite). Ci sono anche caratteristiche dipendenti in termini di potenza, in termini di indicatori barometrici, in termini di indicatori di vapore. Per mantenere una reazione nucleare in un reattore, è necessario convertire alcuni elementi in altri. Per fare ciò, è necessario tenere conto delle condizioni per il flusso di una reazione nucleare a catena: la presenza di una sostanza in grado di dividersi e rilasciare da se stessa durante il decadimento un certo numero di particelle elementari, che, di conseguenza, causerà la fissione dei nuclei rimanenti. Come tale sostanza, vengono spesso utilizzati uranio-238, uranio-235, plutonio-239. Durante il passaggio di una reazione nucleare a catena, gli isotopi di questi elementi decadranno e formeranno due o più altre sostanze chimiche. In questo processo vengono emessi i cosiddetti raggi "gamma", si verifica un intenso rilascio di energia, si formano due o tre neutroni, capaci di continuare gli atti di reazione. Ci sono neutroni lenti e veloci, perché affinché il nucleo di un atomo si disintegri, queste particelle devono volare a una certa velocità.
