La teoría de la relatividad dice que la masa es una forma especial de energía. De ello se deduce que es posible convertir la masa en energía y la energía en masa. A nivel intraatómico, tales reacciones tienen lugar. En particular, parte de la masa del propio núcleo atómico bien puede convertirse en energía. Esto sucede de varias maneras. Primero, el núcleo puede desintegrarse en varios núcleos más pequeños, esta reacción se denomina "decaimiento". En segundo lugar, los núcleos más pequeños pueden combinarse fácilmente para formar uno más grande: esta es una reacción de fusión. En el universo, tales reacciones son muy comunes. Baste decir que la reacción de fusión es la fuente de energía de las estrellas. Pero la reacción de descomposición es utilizada por la humanidad en los reactores nucleares, ya que la gente ha aprendido a controlar estos procesos complejos. Pero, ¿qué es una reacción nuclear en cadena? ¿Cómo gestionarlo?
Qué sucede en el núcleo de un átomo
Una reacción nuclear en cadena es un proceso que ocurre cuando partículas elementales o núcleos chocan con otros núcleos. ¿Por qué "cadena"? Este es un conjunto de reacciones nucleares individuales sucesivas. Como resultado de este proceso, se produce un cambio en el estado cuántico y la composición del núcleo del núcleo original, incluso aparecen nuevas partículas: productos de reacción. La reacción nuclear en cadena, cuya física permite estudiar los mecanismos de interacción de núcleos con núcleos y con partículas, es el método principal para la obtención de nuevos elementos e isótopos. Para entender el flujo de una reacción en cadena, primero hay que tratar con las individuales.
Qué se necesita para la reacción
Para llevar a cabo un proceso como una reacción nuclear en cadena, es necesario acercar las partículas (un núcleo y un nucleón, dos núcleos) a una distancia del radio de interacción fuerte (alrededor de un fermi). Si las distancias son grandes, entonces la interacción de las partículas cargadas será puramente de Coulomb. En una reacción nuclear se observan todas las leyes: conservación de la energía, cantidad de movimiento, cantidad de movimiento, carga bariónica. Una reacción nuclear en cadena se denota con el conjunto de símbolos a, b, c, d. El símbolo a denota el núcleo original, b la partícula entrante, c la nueva partícula saliente y d el núcleo resultante.
Energía de reacción
Una reacción nuclear en cadena puede tener lugar tanto con absorción como con liberación de energía, que es igual a la diferencia en las masas de las partículas antes y después de la reacción. La energía absorbida determina la energía cinética mínima de la colisión,el llamado umbral de una reacción nuclear, en el que puede proceder libremente. Este umbral depende de las partículas involucradas 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 que bombardean el núcleo es el acelerador de partículas, que produce haces de protones, iones pesados y núcleos ligeros. Los neutrones lentos se obtienen mediante el uso de reactores nucleares. Para fijar las partículas cargadas incidentes se pueden utilizar diferentes tipos de reacciones nucleares, tanto de fusión como de desintegración. 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 en la reacción participan partículas con espín distinto de cero, entonces la sección transversal depende directamente de su orientación. Dado que los espines de las partículas incidentes no están completamente orientados al azar, sino más o menos ordenados, todos los corpúsculos estarán polarizados. La característica cuantitativa de los espines del haz orientado se describe mediante el vector de polarización.
Mecanismo de reacción
¿Qué es una reacción nuclear en cadena? Como ya 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 durante la colisión. Obtener el control de todos estos mecanismos permite un proceso como una reacción nuclear en cadena controlada.
Reacciones directas
Si una partícula cargada que golpea el núcleo objetivo solo lo toca, entonces la duración de la colisión será igual a la distancia necesaria para superar la distancia del radio del núcleo. Tal reacción nuclear se llama reacción 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 aún tiene suficiente energía para vencer la atracción nuclear. Por ejemplo, interacciones como la dispersión inelástica de neutrones, el intercambio de carga y la directa. La contribución de tales procesos a la característica denominada "sección transversal total" es bastante insignificante. Sin embargo, la distribución de los productos del paso de una reacción nuclear directa permite determinar la probabilidad de escape del ángulo de dirección del haz, los números cuánticos, la selectividad de los estados poblados y determinar su estructura.
Emisión de pre-equilibrio
Si la partícula no sale de la región de interacción nuclear después de la primera colisión, se verá envuelta en toda una cascada de colisiones sucesivas. Esto es en realidad lo que se llama una reacción nuclear en cadena. Como resultado de esta situación, la energía cinética de la partícula se distribuye entrepartes constituyentes del núcleo. El estado del propio núcleo gradualmente se volverá mucho más complicado. Durante este proceso, un determinado nucleón o un grupo completo (un grupo de nucleones) puede concentrar energía suficiente para la emisión de este nucleón desde el núcleo. 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 únicas sucesivas causadas por partículas cargadas aparecen como productos de reacción en los pasos anteriores. ¿Qué es una reacción nuclear en cadena? Por ejemplo, la fisión de núcleos pesados, cuando los neutrones obtenidos durante desintegraciones anteriores inician múltiples eventos de fisión.
Características de una reacción nuclear en cadena
Entre todas las reacciones químicas, las reacciones en cadena son ampliamente utilizadas. Las partículas con enlaces no utilizados juegan el papel de átomos libres o radicales. En un proceso como una reacción nuclear en cadena, el mecanismo de su ocurrencia lo proporcionan los neutrones, que no tienen una barrera de Coulomb y excitan el núcleo al absorberse. Si la partícula necesaria aparece en el medio, entonces provoca una cadena de transformaciones posteriores que continuará hasta que la cadena se rompa por la pérdida de la partícula portadora.
Por qué se pierde el transportista
Solo hay dos razones para la pérdida de la partícula portadora de una cadena continua de reacciones. El primero es la absorción de la partícula sin el proceso de emisión.secundario. El segundo es la salida de la partícula más allá del límite del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena.
Dos tipos de procesos
Si solo nace una única partícula transportadora en cada período de la reacción en cadena, entonces este proceso puede llamarse no ramificado. No puede conducir a la liberación de energía a gran escala. Si hay muchas partículas transportadoras, esto se denomina reacción ramificada. ¿Qué es una reacción nuclear en cadena con ramificación? Una de las partículas secundarias obtenidas en el acto anterior continuará la cadena iniciada anteriormente, mientras que las otras crearán nuevas reacciones que también se ramificarán. Este proceso competirá con los procesos que conducen a la ruptura. La situación resultante dará lugar a fenómenos críticos y limitantes específicos. Por ejemplo, si hay más rupturas que cadenas puramente nuevas, entonces será imposible que la reacción se sostenga por sí misma. Incluso si se excita artificialmente mediante la introducción del número necesario de partículas en un medio determinado, el proceso seguirá decayendo con el tiempo (normalmente con bastante rapidez). Si el número de cadenas nuevas excede el número de rupturas, entonces una reacción en cadena nuclear comenzará a extenderse por toda la sustancia.
Condición crítica
El estado crítico separa el área del estado de la materia con una reacción en cadena autosostenida desarrollada y el área donde esta reacción es imposible en absoluto. Este parámetro se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevos circuitos y el número de cortes posibles. Como la presencia de una partícula portadora libre, la críticaEl estado es el elemento principal en una lista como "condiciones para la implementación de una reacción en cadena nuclear". El logro de este estado puede estar determinado por una serie de posibles factores. La fisión del núcleo de un 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. Por tanto, 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 escapes (tasa de pérdida) sea compensada por la tasa de multiplicación de partículas portadoras, entonces la reacción en cadena procederá en 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 mayor que uno, entonces la reacción se desarrollará exponencialmente. Las reacciones en cadena incontroladas se utilizan en las armas nucleares.
Reacción en cadena nuclear en energía
La reactividad de un reactor está determinada por una gran cantidad 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 barras de grafito, los refrigerantes o el uranio sobre la reactividad del reactor y la intensidad de un proceso como una reacción nuclear en cadena se caracterizan por un coeficiente de temperatura (para refrigerante, para uranio, para grafito). También hay características dependientes en términos de potencia, en términos de indicadores barométricos, en términos de indicadores de vapor. Para mantener una reacción nuclear en un reactor, es necesario convertir unos elementos en otros. Para hacer esto, es necesario tener en cuenta las condiciones para el flujo de una reacción en cadena nuclear: la presencia de una sustancia que puede dividirse y liberarse durante la descomposición de una cierta cantidad de partículas elementales que, como resultado, provocará la fisión de los núcleos restantes. Como tal sustancia, a menudo se usan uranio-238, uranio-235, plutonio-239. Durante el paso de una reacción nuclear en cadena, los isótopos de estos elementos se descompondrán y formarán dos o más sustancias químicas. 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 reacción. Hay neutrones lentos y rápidos, porque para que el núcleo de un átomo se desintegre, estas partículas deben volar a cierta velocidad.
