نظریه نسبیت می گوید که جرم شکل خاصی از انرژی است. از این رو می توان جرم را به انرژی و انرژی را به جرم تبدیل کرد. در سطح درون اتمی، چنین واکنش هایی رخ می دهد. به ویژه، مقداری از جرم خود هسته اتم ممکن است به انرژی تبدیل شود. این به چند طریق اتفاق می افتد. اول، هسته می تواند به تعدادی هسته کوچکتر تجزیه شود، این واکنش "واپاشی" نامیده می شود. ثانیا، هسته های کوچکتر می توانند به راحتی با یکدیگر ترکیب شوند تا یک هسته بزرگتر بسازند - این یک واکنش همجوشی است. در جهان، چنین واکنش هایی بسیار رایج است. کافی است بگوییم که واکنش همجوشی منبع انرژی ستارگان است. اما واکنش فروپاشی توسط بشر در راکتورهای هسته ای استفاده می شود، زیرا مردم یاد گرفته اند این فرآیندهای پیچیده را کنترل کنند. اما واکنش زنجیره ای هسته ای چیست؟ چگونه آن را مدیریت کنیم؟
چه اتفاقی در هسته اتم می افتد
واکنش زنجیره ای هسته ای فرآیندی است که زمانی اتفاق می افتد که ذرات یا هسته های بنیادی با هسته های دیگر برخورد می کنند. چرا "زنجیره"؟ این مجموعه ای از واکنش های تک هسته ای متوالی است. در نتیجه این فرآیند، تغییر در حالت کوانتومی و ترکیب نوکلئونی هسته اصلی رخ می دهد، حتی ذرات جدید ظاهر می شوند - محصولات واکنش. واکنش زنجیره ای هسته ای، که فیزیک آن به فرد اجازه می دهد مکانیسم های برهمکنش هسته ها با هسته ها و ذرات را مطالعه کند، روش اصلی برای به دست آوردن عناصر و ایزوتوپ های جدید است. برای درک جریان یک واکنش زنجیره ای، ابتدا باید با واکنش های منفرد برخورد کرد.
آنچه برای واکنش لازم است
برای انجام چنین فرآیندی مانند واکنش زنجیره ای هسته ای، لازم است ذرات (هسته و یک نوکلئون، دو هسته) را در فاصله شعاع برهمکنش قوی (حدود یک فرمی) به هم نزدیکتر کنیم.. اگر فواصل زیاد باشد، برهمکنش ذرات باردار کاملاً کولن خواهد بود. در یک واکنش هسته ای، همه قوانین رعایت می شود: بقای انرژی، تکانه، تکانه، بار باریون. یک واکنش زنجیره ای هسته ای با مجموعه نمادهای a، b، c، d نشان داده می شود. نماد a نشان دهنده هسته اصلی، b ذره ورودی، c ذره خروجی جدید و d هسته حاصل است.
انرژی واکنش
یک واکنش زنجیره ای هسته ای می تواند هم با جذب و هم با آزاد شدن انرژی اتفاق بیفتد که برابر با اختلاف جرم ذرات بعد از واکنش و قبل از آن است. انرژی جذب شده حداقل انرژی جنبشی برخورد را تعیین می کند.به اصطلاح آستانه یک واکنش هسته ای، که در آن آزادانه می تواند ادامه یابد. این آستانه به ذرات درگیر در برهمکنش و ویژگی های آنها بستگی دارد. در مرحله اولیه، همه ذرات در یک حالت کوانتومی از پیش تعیین شده قرار دارند.
اجرای واکنش
منبع اصلی ذرات باردار که هسته را بمباران می کنند، شتاب دهنده ذرات است که پرتوهای پروتون، یون های سنگین و هسته های سبک را تولید می کند. نوترون های آهسته از طریق استفاده از راکتورهای هسته ای به دست می آیند. برای رفع ذرات باردار برخوردی، می توان از انواع مختلف واکنش های هسته ای، هم گداختی و هم واپاشی، استفاده کرد. احتمال آنها به پارامترهای ذراتی که با هم برخورد می کنند بستگی دارد. این احتمال با مشخصه‌ای مانند سطح مقطع واکنش مرتبط است - مقدار ناحیه مؤثر، که هسته را به عنوان هدف ذرات فرود آمده مشخص می‌کند و معیاری از احتمال وارد شدن ذره و هسته به تعامل است. اگر ذرات با اسپین غیر صفر در واکنش شرکت کنند، سطح مقطع مستقیماً به جهت آنها بستگی دارد. از آنجایی که اسپین‌های ذرات فرودی کاملاً تصادفی نیستند، بلکه کم و بیش مرتب شده‌اند، تمام ذرات قطبی می‌شوند. مشخصه کمی اسپین های پرتو جهت دار توسط بردار پلاریزاسیون توصیف می شود.
مکانیسم واکنش
واکنش زنجیره ای هسته ای چیست؟ همانطور که قبلا ذکر شد، این یک توالی از واکنش های ساده تر است. خصوصیات ذره برخوردی و برهمکنش آن با هسته به جرم، بار،انرژی جنبشی برهمکنش با درجه آزادی هسته هایی که در هنگام برخورد برانگیخته می شوند تعیین می شود. به دست آوردن کنترل همه این مکانیسم ها امکان فرآیندی مانند واکنش زنجیره ای هسته ای کنترل شده را فراهم می کند.
واکنش های مستقیم
اگر ذره ای باردار که به هسته هدف برخورد می کند فقط آن را لمس کند، مدت زمان برخورد برابر با فاصله لازم برای غلبه بر فاصله شعاع هسته خواهد بود. چنین واکنش هسته ای واکنش مستقیم نامیده می شود. یک مشخصه مشترک برای همه واکنش های این نوع تحریک تعداد کمی از درجات آزادی است. در چنین فرآیندی، پس از اولین برخورد، ذره همچنان انرژی کافی برای غلبه بر جاذبه هسته ای را دارد. به عنوان مثال، برهمکنش هایی مانند پراکندگی غیرالاستیک نوترون ها، تبادل بار، و اشاره به مستقیم. سهم چنین فرآیندهایی در مشخصه ای به نام "مقطع کل" بسیار ناچیز است. با این حال، توزیع محصولات حاصل از عبور یک واکنش مستقیم هسته ای امکان تعیین احتمال فرار از زاویه جهت پرتو، اعداد کوانتومی، گزینش پذیری حالت های جمع شده و تعیین ساختار آنها را ممکن می سازد.
انتشار پیش تعادل
اگر ذره پس از اولین برخورد منطقه برهمکنش هسته ای را ترک نکند، درگیر یک آبشار کامل از برخوردهای متوالی خواهد بود. این در واقع همان چیزی است که واکنش زنجیره ای هسته ای نامیده می شود. در نتیجه این وضعیت، انرژی جنبشی ذره بین آنها توزیع می شوداجزای تشکیل دهنده هسته وضعیت خود هسته به تدریج بسیار پیچیده تر خواهد شد. در طی این فرآیند، یک نوکلئون خاص یا یک خوشه کامل (گروهی از نوکلئون ها) می توانند انرژی کافی برای انتشار این نوکلئون از هسته را متمرکز کنند. آرامش بیشتر منجر به تشکیل تعادل آماری و تشکیل یک هسته مرکب می شود.
واکنش های زنجیره ای
واکنش زنجیره ای هسته ای چیست؟ این توالی اجزای تشکیل دهنده آن است. یعنی چندین واکنش هسته ای متوالی ناشی از ذرات باردار به عنوان محصولات واکنش در مراحل قبلی ظاهر می شوند. واکنش زنجیره ای هسته ای چیست؟ به عنوان مثال، شکافت هسته های سنگین، زمانی که رویدادهای شکافت متعدد توسط نوترون های به دست آمده در طی واپاشی های قبلی آغاز می شود.
ویژگی های یک واکنش زنجیره ای هسته ای
در میان تمام واکنش های شیمیایی، واکنش های زنجیره ای به طور گسترده ای استفاده می شود. ذرات با پیوندهای استفاده نشده نقش اتم ها یا رادیکال های آزاد را بازی می کنند. در فرآیندی مانند واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای، مکانیسم وقوع آن توسط نوترون‌ها فراهم می‌شود که مانع کولنی ندارند و در هنگام جذب، هسته را تحریک می‌کنند. اگر ذره لازم در محیط ظاهر شود، آنگاه باعث ایجاد زنجیره ای از دگرگونی های بعدی می شود که تا زمانی که زنجیره به دلیل از بین رفتن ذره حامل شکسته شود، ادامه خواهد داشت.
چرا اپراتور گم می شود
تنها دو دلیل برای از دست دادن ذره حامل زنجیره پیوسته واکنش ها وجود دارد. اولین مورد، جذب ذره بدون فرآیند انتشار استثانوی. دوم خروج ذره از حد حجم ماده ای است که فرآیند زنجیره را پشتیبانی می کند.
دو نوع فرآیند
اگر فقط یک ذره حامل در هر دوره از واکنش زنجیره ای متولد شود، این فرآیند را می توان بدون شاخه نامید. نمی تواند منجر به آزاد شدن انرژی در مقیاس بزرگ شود. اگر ذرات حامل زیادی وجود داشته باشد، به این واکنش شاخه ای می گویند. واکنش زنجیره ای هسته ای با انشعاب چیست؟ یکی از ذرات ثانویه به‌دست‌آمده در عمل قبلی، زنجیره‌ای را که زودتر شروع شده است ادامه می‌دهد، در حالی که بقیه واکنش‌های جدیدی ایجاد می‌کنند که منشعب می‌شوند. این فرآیند با فرآیندهای منتهی به شکست رقابت خواهد کرد. وضعیت حاصل، پدیده های بحرانی و محدودکننده خاصی را به همراه خواهد داشت. برای مثال، اگر گسستگی‌های بیشتری نسبت به زنجیره‌های کاملاً جدید وجود داشته باشد، خودپایداری واکنش غیرممکن خواهد بود. حتی اگر به طور مصنوعی با وارد کردن تعداد ذرات مورد نیاز در یک محیط معین برانگیخته شود، فرآیند همچنان با گذشت زمان (معمولاً به سرعت) تحلیل می‌رود. اگر تعداد زنجیره‌های جدید از تعداد گسست‌ها بیشتر شود، یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای شروع به انتشار در سراسر ماده می‌کند.
وضعیت بحرانی
وضعیت بحرانی ناحیه حالت ماده را با یک واکنش زنجیره ای خودپایدار توسعه یافته و منطقه ای که این واکنش اصلاً غیرممکن است، از هم جدا می کند. این پارامتر با برابری بین تعداد مدارهای جدید و تعداد شکست های احتمالی مشخص می شود. مانند وجود یک ذره حامل آزاد، حیاتی استحالت اصلی ترین مورد در فهرستی به عنوان «شرایط اجرای یک واکنش زنجیره ای هسته ای» است. دستیابی به این حالت را می توان با تعدادی از عوامل ممکن تعیین کرد. شکافت هسته یک عنصر سنگین تنها توسط یک نوترون برانگیخته می شود. در نتیجه فرآیندی مانند واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای، نوترون های بیشتری تولید می شود. بنابراین، این فرآیند می تواند یک واکنش شاخه ای ایجاد کند که در آن نوترون ها به عنوان حامل عمل می کنند. در صورتی که سرعت جذب نوترون بدون شکافت یا گریز (نرخ تلفات) با سرعت ضرب ذرات حامل جبران شود، واکنش زنجیره ای در حالت ساکن پیش می رود. این برابری عامل ضرب را مشخص می کند. در حالت فوق برابر با یک است. در انرژی هسته ای، به دلیل ارائه یک بازخورد منفی بین سرعت آزاد شدن انرژی و ضریب ضرب، می توان سیر یک واکنش هسته ای را کنترل کرد. اگر این ضریب بزرگتر از یک باشد، واکنش به صورت تصاعدی توسعه می یابد. واکنش های زنجیره ای کنترل نشده در سلاح های هسته ای استفاده می شود.
واکنش زنجیره ای هسته ای در انرژی
واکنش‌پذیری یک راکتور توسط تعداد زیادی فرآیندی که در هسته آن رخ می‌دهد تعیین می‌شود. همه این تأثیرات توسط ضریب واکنشی به اصطلاح تعیین می شود. تأثیر تغییرات دمای میله‌های گرافیت، خنک‌کننده‌ها یا اورانیوم بر واکنش‌پذیری راکتور و شدت فرآیندی مانند واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای با یک ضریب دما (برای خنک‌کننده، برای اورانیوم، برای گرافیت) مشخص می‌شود.همچنین ویژگی های وابسته از نظر قدرت، از نظر شاخص های فشارسنجی، از نظر شاخص های بخار وجود دارد. برای حفظ یک واکنش هسته ای در یک راکتور، تبدیل برخی از عناصر به عناصر دیگر ضروری است. برای انجام این کار، لازم است شرایط جریان یک واکنش زنجیره ای هسته ای را در نظر گرفت - وجود ماده ای که قادر به تقسیم و رهاسازی از خود در هنگام فروپاشی تعداد معینی از ذرات بنیادی است که در نتیجه ، باعث شکافت هسته های باقی مانده خواهد شد. به عنوان چنین ماده ای، اورانیوم-238، اورانیوم-235، پلوتونیوم-239 اغلب استفاده می شود. در طی یک واکنش زنجیره ای هسته ای، ایزوتوپ های این عناصر تجزیه می شوند و دو یا چند ماده شیمیایی دیگر را تشکیل می دهند. در این فرآیند، پرتوهای به اصطلاح "گاما" ساطع می شوند، آزاد شدن شدید انرژی رخ می دهد، دو یا سه نوترون تشکیل می شوند که قادر به ادامه اعمال واکنش هستند. نوترون های کند و سریع وجود دارند، زیرا برای اینکه هسته اتم متلاشی شود، این ذرات باید با سرعت خاصی پرواز کنند.
