La teoría de la relatividad dice que la masa esuna forma especial de energía. De ello se deduce que puede convertir masa en energía y energía en masa. A nivel intraatómico, tales reacciones tienen lugar. En particular, una cierta cantidad de la masa del núcleo atómico mismo puede convertirse en energía. Esto sucede de varias formas. Primero, el núcleo puede descomponerse en varios núcleos más pequeños, esta reacción se llama "descomposición". En segundo lugar, los núcleos más pequeños se pueden combinar fácilmente para formar uno más grande; esta es una reacción de fusión. En el Universo, estas reacciones son muy comunes. Baste decir que la reacción de fusión es la fuente de energía de las estrellas. Pero la humanidad utiliza la reacción de desintegración en los reactores nucleares, ya que la gente ha aprendido a controlar estos complejos procesos. Pero, ¿qué es una reacción nuclear en cadena? ¿Cómo gestionarlo?
¿Qué sucede en el núcleo de un átomo?
Una reacción en cadena nuclear es un proceso que ocurre cuandocolisión de partículas elementales o núcleos con otros núcleos. ¿Por qué "cadena"? Este es un conjunto de reacciones nucleares simples secuenciales. Como resultado de este proceso, se produce un cambio en el estado cuántico y la composición del nucleón del núcleo inicial, incluso aparecen nuevas partículas: productos de reacción. Una reacción en cadena nuclear, cuya física permite estudiar los mecanismos de interacción de los núcleos con los núcleos y con las partículas, es el método principal para la obtención de nuevos elementos e isótopos. Para comprender el curso de una reacción en cadena, primero hay que lidiar con los únicos.
Que se necesita para reaccionar
Para llevar a cabo un proceso comoreacción en cadena nuclear, es necesario acercar las partículas (núcleo y nucleón, dos núcleos) a la distancia del radio de interacción fuerte (aproximadamente un Fermi). Si las distancias son grandes, entonces la interacción de partículas cargadas será puramente Coulomb. En una reacción nuclear, se observan todas las leyes: conservación de energía, momento angular, momento, carga bariónica. Una reacción en cadena nuclear se indica mediante un conjunto de símbolos a, b, c, d. El símbolo a representa el núcleo original, b la partícula entrante, c la nueva partícula saliente yd el núcleo resultante.
Energía de reacción
Una reacción en cadena nuclear puede tener lugar como conabsorción, y con la liberación de energía, que es igual a la diferencia en las masas de las partículas después de la reacción y antes de ella. La energía absorbida determina la energía cinética mínima de la colisión, el llamado umbral de una reacción nuclear en el que puede avanzar libremente. Este umbral depende de las partículas que intervienen en la interacción y de sus características. En la etapa inicial, todas las partículas se encuentran en un estado cuántico predeterminado.
Implementación de la reacción
La principal fuente de partículas cargadas, queel núcleo es bombardeado, es un acelerador de partículas que da haces de protones, iones pesados y núcleos ligeros. Los neutrones lentos se producen mediante el uso de reactores nucleares. Se pueden utilizar varios tipos de reacciones nucleares, tanto de fusión como de desintegración, para fijar las partículas cargadas incidentes. Su probabilidad depende de los parámetros de las partículas que chocan. Esta probabilidad está asociada con una característica como la sección transversal de la reacción: el valor del área efectiva que caracteriza al núcleo como un objetivo para las partículas incidentes y que es una medida de la probabilidad de que la partícula y el núcleo entren en interacción. Si las partículas con un espín distinto de cero participan en la reacción, entonces la sección transversal depende directamente de su orientación. Dado que los giros de las partículas incidentes no están orientados de manera caótica, sino más o menos ordenada, entonces todos los corpúsculos estarán polarizados. La característica cuantitativa de los espines orientados del haz se describe mediante el vector de polarización.
Mecanismo de reacción
¿Qué es una reacción nuclear en cadena?Como se mencionó, esta es una secuencia de reacciones más simples. Las características de la partícula incidente y su interacción con el núcleo dependen de la masa, carga, energía cinética. La interacción está determinada por el grado de libertad de los núcleos, que se excitan en la colisión. Obtener el control de todos estos mecanismos permite un proceso como una reacción en cadena nuclear controlada.
Reacciones directas
Si una partícula cargada que golpeael núcleo objetivo, solo lo toca, entonces la duración de la colisión será igual a la necesaria para superar la distancia del radio del núcleo. Esta reacción nuclear se llama directa. Una característica común a todas las reacciones de este tipo es la excitación de un pequeño número de grados de libertad. En tal proceso, después de la primera colisión, la partícula todavía tiene suficiente energía para superar la atracción nuclear. Por ejemplo, las interacciones como la dispersión de neutrones inelástica, el intercambio de carga y se conocen como directas. La contribución de tales procesos a la característica denominada "sección completa" es bastante escasa. Sin embargo, la distribución de los productos del paso de una reacción nuclear directa permite determinar la probabilidad de emisión a partir del ángulo de dirección del haz, números cuánticos, selectividad de estados poblados y determinar su estructura.
Emisión de pre-equilibrio
Si la partícula no sale del núcleointeracción después de la primera colisión, estará involucrada en toda una cascada de colisiones sucesivas. En realidad, esto es lo que se llama reacción en cadena nuclear. Como resultado de esta situación, la energía cinética de la partícula se distribuye entre las partes constituyentes del núcleo. El mismo estado del núcleo se volverá gradualmente mucho más complicado. Durante este proceso, la energía suficiente para la emisión de este nucleón desde el núcleo puede concentrarse en algún nucleón o en un grupo completo (un grupo de nucleones). Una mayor relajación conducirá a la formación de un equilibrio estadístico y a la formación de un núcleo compuesto.
Reacciones en cadena
¿Qué es una reacción nuclear en cadena?Esta es la secuencia de sus partes constituyentes. Es decir, múltiples reacciones nucleares individuales sucesivas causadas por partículas cargadas aparecen como productos de reacción en los pasos anteriores. ¿Qué se llama reacción en cadena nuclear? Por ejemplo, la fisión de núcleos pesados, cuando múltiples eventos de fisión son iniciados por neutrones obtenidos en desintegraciones previas.
Características de una reacción en cadena nuclear.
Entre todas las reacciones químicas, la mayorse extendió la cadena. Las partículas con enlaces no utilizados actúan como átomos libres o radicales. En un proceso como una reacción en cadena nuclear, el mecanismo de su aparición lo proporcionan los neutrones, que no tienen una barrera de Coulomb y excitan el núcleo al absorberse. Si aparece una partícula necesaria en el medio, entonces provoca una cadena de transformaciones posteriores, que continuará hasta que la cadena se rompa debido a la pérdida de la partícula portadora.
Por qué se pierden los medios
Solo hay dos razones para la pérdida de una partícula portadoracadena continua de reacciones. El primero es la absorción de una partícula sin el proceso de emisión secundaria. El segundo es la salida de una partícula más allá del límite de volumen de una sustancia que apoya el proceso en cadena.
Dos tipos de proceso
Si en cada periodo de la reacción en cadena nacesólo un portador de partículas, entonces este proceso puede llamarse no ramificado. No puede conducir a la liberación de energía a gran escala. Si hay muchas partículas portadoras, esto se denomina reacción ramificada. ¿Qué es una reacción nuclear en cadena con un tenedor? Una de las partículas secundarias obtenidas en el acto anterior continuará la cadena iniciada antes, mientras que otras crearán nuevas reacciones que también se ramificarán. Los procesos de terminación competirán con este proceso. La situación resultante generará fenómenos críticos y limitantes específicos. Por ejemplo, si hay más interrupciones que circuitos puramente nuevos, la autosostenida de la reacción será imposible. Incluso si lo excita artificialmente introduciendo la cantidad requerida de partículas en el medio dado, el proceso aún se deteriorará con el tiempo (generalmente con bastante rapidez). Si el número de cadenas nuevas supera el número de roturas, la reacción en cadena nuclear comenzará a extenderse por toda la sustancia.
Condición crítica
La condición crítica separa el área estatalsustancias con una reacción en cadena autosostenida desarrollada, y un área donde esta reacción es imposible en absoluto. Este parámetro se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevas redes y el número de posibles roturas. Como la presencia de una partícula portadora libre, el estado crítico es el elemento principal en una lista como "condiciones para la implementación de una reacción nuclear en cadena". El logro de este estado puede estar determinado por varios factores posibles. La fisión de un núcleo de elemento pesado es excitada por un solo neutrón. Como resultado de un proceso como una reacción en cadena de fisión nuclear, se producen más neutrones. En consecuencia, este proceso puede producir una reacción ramificada, donde los neutrones actuarán como portadores. En el caso de que la tasa de captura de neutrones sin fisión o emisión (tasa de pérdida) sea compensada por la tasa de multiplicación de las partículas portadoras, la reacción en cadena procederá en un modo estacionario. Esta igualdad caracteriza el factor de multiplicación. En el caso anterior, es igual a uno. En la energía nuclear, debido a la introducción de una retroalimentación negativa entre la tasa de liberación de energía y el factor de multiplicación, es posible controlar el curso de una reacción nuclear. Si este coeficiente es más de uno, entonces la reacción se desarrollará exponencialmente. Las reacciones en cadena incontroladas se utilizan en armas nucleares.
Reacción en cadena nuclear en la ingeniería energética
La reactividad del reactor está determinada por la granel número de procesos que ocurren en su núcleo. Todas estas influencias están determinadas por el llamado coeficiente de reactividad. El efecto de los cambios en la temperatura de las varillas de grafito, los refrigerantes o el uranio sobre la reactividad del reactor y la intensidad de un proceso como una reacción en cadena nuclear se caracterizan por el coeficiente de temperatura (para el refrigerante, para el uranio, para el grafito). También hay características dependientes en términos de potencia, indicadores barométricos, indicadores de vapor. Para mantener una reacción nuclear en un reactor, es necesario convertir algunos elementos en otros. Para hacer esto, es necesario tener en cuenta las condiciones para la ocurrencia de una reacción en cadena nuclear: la presencia de una sustancia que es capaz de fisión y liberar de sí misma durante la descomposición una cierta cantidad de partículas elementales, que, como resultado , provocará la fisión de los núcleos restantes. El uranio-238, el uranio-235, el plutonio-239 se utilizan a menudo como tales sustancias. Durante el paso de una reacción nuclear en cadena, los isótopos de estos elementos se desintegrarán y formarán otros dos o más productos químicos. En este proceso se emiten los llamados rayos "gamma", se produce una intensa liberación de energía, se forman dos o tres neutrones, capaces de continuar los actos de la reacción. Distinga entre neutrones lentos y rápidos, porque para que el núcleo de un átomo se descomponga, estas partículas deben volar a cierta velocidad.
