תורת היחסות אומרת שמסה היא צורה מיוחדת של אנרגיה. מכאן נובע שאפשר להמיר מסה לאנרגיה ואנרגיה למסה. ברמה התוך-אטומית מתרחשות תגובות כאלה. בפרט, חלק מהמסה של גרעין האטום עצמו עשוי בהחלט להפוך לאנרגיה. זה קורה בכמה דרכים. ראשית, הגרעין יכול להתפרק למספר גרעינים קטנים יותר, תגובה זו נקראת "דעיכה". שנית, גרעינים קטנים יותר יכולים בקלות להשתלב כדי ליצור אחד גדול יותר - זוהי תגובת היתוך. ביקום, תגובות כאלה נפוצות מאוד. די לומר שתגובת ההיתוך היא מקור האנרגיה לכוכבים. אבל תגובת הריקבון משמשת את האנושות בכורים גרעיניים, מכיוון שאנשים למדו לשלוט בתהליכים המורכבים הללו. אבל מהי תגובת שרשרת גרעינית? איך לנהל את זה?
מה קורה בגרעין של אטום
תגובת שרשרת גרעינית היא תהליך המתרחש כאשר חלקיקים אלמנטריים או גרעינים מתנגשים עם גרעינים אחרים. למה "שרשרת"? זוהי קבוצה של תגובות גרעיניות בודדות עוקבות. כתוצאה מתהליך זה מתרחש שינוי במצב הקוונטי ובהרכב הגרעין המקורי של הגרעין המקורי, אפילו חלקיקים חדשים מופיעים - תוצרי תגובה. תגובת השרשרת הגרעינית, שהפיזיקה שלה מאפשרת לחקור את מנגנוני האינטראקציה של גרעינים עם גרעינים ועם חלקיקים, היא השיטה העיקרית להשגת יסודות ואיזוטופים חדשים. על מנת להבין את הזרימה של תגובת שרשרת, יש קודם כל להתמודד עם בודדים.
מה צריך לתגובה
כדי לבצע תהליך כזה כמו תגובת שרשרת גרעינית, יש צורך לקרב חלקיקים (גרעין וגרעין, שני גרעינים) זה לזה במרחק של רדיוס האינטראקציה החזק (בערך פרמי אחד). אם המרחקים גדולים, אז האינטראקציה של חלקיקים טעונים תהיה קולומב בלבד. בתגובה גרעינית מתקיימים כל החוקים: שימור אנרגיה, תנע, תנע, מטען באריון. תגובת שרשרת גרעינית מסומנת בקבוצת הסמלים a, b, c, d. הסמל a מציין את הגרעין המקורי, b החלקיק הנכנס, c החלקיק היוצא החדש, ו-d הגרעין שנוצר.
אנרגיית תגובה
תגובת שרשרת גרעינית יכולה להתרחש גם עם ספיגה וגם עם שחרור אנרגיה, השווה להפרש במסות החלקיקים לאחר התגובה ולפניה. האנרגיה הנספגת קובעת את האנרגיה הקינטית המינימלית של ההתנגשות,מה שנקרא סף של תגובה גרעינית, שבו היא יכולה להמשיך בחופשיות. סף זה תלוי בחלקיקים המעורבים באינטראקציה ובמאפיינים שלהם. בשלב הראשוני, כל החלקיקים נמצאים במצב קוונטי קבוע מראש.
יישום תגובה
המקור העיקרי של חלקיקים טעונים שמפציצים את הגרעין הוא מאיץ החלקיקים, המייצר אלומות של פרוטונים, יונים כבדים וגרעינים קלים. נויטרונים איטיים מתקבלים באמצעות שימוש בכורים גרעיניים. כדי לתקן חלקיקים טעונים תקרית, ניתן להשתמש בסוגים שונים של תגובות גרעיניות, הן היתוך והן ריקבון. ההסתברות שלהם תלויה בפרמטרים של החלקיקים שמתנגשים. הסתברות זו קשורה למאפיין כמו חתך התגובה - ערך השטח האפקטיבי, המאפיין את הגרעין כמטרה לחלקיקים תקפים ואשר מהווה מדד להסתברות שהחלקיק והגרעין יכנסו לאינטראקציה. אם חלקיקים עם ספין לא אפס לוקחים חלק בתגובה, אז החתך תלוי ישירות בכיוון שלהם. מכיוון שהספינים של החלקיקים המתרחשים אינם מכוונים באופן אקראי לחלוטין, אלא מסודרים פחות או יותר, כל הגופים יהיו מקוטבים. המאפיין הכמותי של סיבובי האלומה המכוונים מתואר על ידי וקטור הקיטוב.
מנגנון תגובה
מהי תגובת שרשרת גרעינית? כפי שכבר צוין, זהו רצף של תגובות פשוטות יותר. המאפיינים של החלקיק המתרחש והאינטראקציה שלו עם הגרעין תלויים במסה, במטען,אנרגיה קינטית. האינטראקציה נקבעת לפי מידת החופש של הגרעינים, שמתרגשים במהלך ההתנגשות. השגת שליטה על כל המנגנונים הללו מאפשרת תהליך כמו תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת.
תגובות ישירות
אם חלקיק טעון שפוגע בגרעין המטרה רק נוגע בו, אזי משך ההתנגשות יהיה שווה למרחק הדרוש כדי להתגבר על המרחק של רדיוס הגרעין. תגובה גרעינית כזו נקראת תגובה ישירה. מאפיין משותף לכל התגובות מסוג זה הוא עירור של מספר קטן של דרגות חופש. בתהליך כזה, לאחר ההתנגשות הראשונה, עדיין יש לחלקיק מספיק אנרגיה כדי להתגבר על המשיכה הגרעינית. לדוגמה, אינטראקציות כגון פיזור לא אלסטי של נויטרונים, חילופי מטען, והתייחסות ישירה. התרומה של תהליכים כאלה למאפיין שנקרא "חתך כולל" היא די זניחה. עם זאת, התפלגות תוצרי המעבר של תגובה גרעינית ישירה מאפשרת לקבוע את ההסתברות לבריחה מזווית כיוון האלומה, מספרים קוונטיים, את הסלקטיביות של המצבים המאוכלסים ולקבוע את המבנה שלהם.
פליטה לפני שיווי המשקל
אם החלקיק לא יעזוב את אזור האינטראקציה הגרעינית לאחר ההתנגשות הראשונה, אז הוא יהיה מעורב במפל שלם של התנגשויות עוקבות. זה למעשה רק מה שנקרא תגובת שרשרת גרעינית. כתוצאה ממצב זה, האנרגיה הקינטית של החלקיק מתפזרת ביןחלקים המרכיבים את הגרעין. מצבו של הגרעין עצמו יהפוך הרבה יותר מסובך בהדרגה. במהלך תהליך זה, נוקלאון מסוים או אשכול שלם (קבוצת נוקלונים) יכולים לרכז אנרגיה המספיקה לפליטת גרעין זה מהגרעין. הרפיה נוספת תוביל להיווצרות שיווי משקל סטטיסטי וליצירת גרעין מורכב.
תגובות שרשרת
מהי תגובת שרשרת גרעינית? זהו רצף החלקים המרכיבים אותו. כלומר, ריאקציות גרעיניות בודדות מרובות עוקבות הנגרמות על ידי חלקיקים טעונים מופיעות כמוצרי תגובה בשלבים הקודמים. מהי תגובת שרשרת גרעינית? לדוגמה, ביקוע של גרעינים כבדים, כאשר אירועי ביקוע מרובים מתחילים על ידי נויטרונים שהושגו במהלך התפרקות קודמת.
תכונות של תגובת שרשרת גרעינית
בין כל התגובות הכימיות, תגובות שרשרת נמצאות בשימוש נרחב. חלקיקים עם קשרים שאינם בשימוש ממלאים את התפקיד של אטומים חופשיים או רדיקלים. בתהליך כמו תגובת שרשרת גרעינית, מנגנון התרחשותה מסופק על ידי נויטרונים, שאין להם מחסום קולומב ומעוררים את הגרעין עם הקליטה. אם החלקיק הדרוש מופיע בתווך, אז הוא גורם לשרשרת של טרנספורמציות עוקבות שימשיכו עד להפסקת השרשרת עקב אובדן חלקיק הנשא.
למה הספק אבד
יש רק שתי סיבות לאובדן חלקיק הנשא של שרשרת רציפה של תגובות. הראשון הוא ספיגת החלקיק ללא תהליך פליטהמִשׁנִי. השני הוא יציאת החלקיק מעבר לגבול נפח החומר התומך בתהליך השרשרת.
שני סוגי תהליך
אם רק חלקיק נשא בודד נולד בכל תקופה של תגובת השרשרת, אז תהליך זה יכול להיקרא לא מסועף. זה לא יכול להוביל לשחרור אנרגיה בקנה מידה גדול. אם יש חלקיקי נשא רבים, זה נקרא תגובה מסועפת. מהי תגובת שרשרת גרעינית עם הסתעפות? אחד מהחלקיקים המשניים שהושגו במערכה הקודמת ימשיך את השרשרת שהתחילה קודם לכן, בעוד שהאחרים ייצרו תגובות חדשות שגם יסתעפו. תהליך זה יתחרה בתהליכים המובילים להפסקה. המצב שנוצר יצמיח תופעות קריטיות ומגבילות ספציפיות. לדוגמה, אם יש יותר הפסקות מאשר שרשראות חדשות גרידא, אז קיום עצמי של התגובה יהיה בלתי אפשרי. גם אם הוא נרגש באופן מלאכותי על ידי החדרת המספר הנדרש של חלקיקים למדיום נתון, התהליך עדיין יתפוגג עם הזמן (בדרך כלל די מהר). אם מספר השרשראות החדשות עולה על מספר ההפסקות, אז תגובת שרשרת גרעינית תתחיל להתפשט בכל החומר.
מצב קריטי
המצב הקריטי מפריד בין אזור המצב של החומר עם תגובת שרשרת המקיימת עצמית מפותחת, לבין האזור שבו תגובה זו בלתי אפשרית כלל. פרמטר זה מאופיין בשוויון בין מספר המעגלים החדשים למספר ההפסקות האפשריות. כמו נוכחות של חלקיק נשא חופשי, הקריטיהמדינה היא הפריט העיקרי ברשימה כזו כמו "תנאים ליישום תגובת שרשרת גרעינית". ההישג של מצב זה יכול להיקבע על ידי מספר גורמים אפשריים. ביקוע הגרעין של יסוד כבד נרגש על ידי נויטרון אחד בלבד. כתוצאה מתהליך כמו תגובת שרשרת ביקוע גרעיני, נוצרים יותר נויטרונים. לכן, תהליך זה יכול לייצר תגובה מסועפת, שבה נויטרונים ישמשו כנשאים. במקרה שבו קצב לכידת הנייטרונים ללא ביקוע או בריחה (שיעור אובדן) יפוצה בקצב הכפלת חלקיקי הנשאים, אז תגובת השרשרת תתקדם במצב נייח. שוויון זה מאפיין את גורם הכפל. במקרה הנ"ל, זה שווה לאחד. בכוח גרעיני, עקב הכנסת משוב שלילי בין קצב שחרור האנרגיה לגורם הכפל, ניתן לשלוט על מהלך תגובה גרעינית. אם מקדם זה גדול מאחד, הרי שהתגובה תתפתח באופן אקספוננציאלי. תגובות שרשרת בלתי מבוקרות משמשות בנשק גרעיני.
תגובת שרשרת גרעינית באנרגיה
התגובתיות של כור נקבעת על ידי מספר רב של תהליכים המתרחשים בליבתו. כל ההשפעות הללו נקבעות על ידי מה שנקרא מקדם התגובתיות. השפעת השינויים בטמפרטורה של מוטות גרפיט, נוזלי קירור או אורניום על תגובתיות הכור ועוצמת תהליך כמו תגובת שרשרת גרעינית מאופיינים במקדם טמפרטורה (עבור נוזל קירור, עבור אורניום, עבור גרפיט).ישנם גם מאפיינים תלויים במונחים של כוח, במונחים של מחוונים ברומטריים, במונחים של מחווני קיטור. כדי לשמור על תגובה גרעינית בכור, יש צורך להמיר אלמנטים מסוימים לאחרים. לשם כך, יש צורך לקחת בחשבון את התנאים לזרימת תגובת שרשרת גרעינית - נוכחות של חומר המסוגל להתחלק ולשחרר מעצמו במהלך ריקבון מספר מסוים של חלקיקים יסודיים, שכתוצאה מכך., יגרום לביקוע של הגרעינים הנותרים. כחומר כזה, נעשה שימוש לעתים קרובות באורניום-238, אורניום-235, פלוטוניום-239. במהלך המעבר של תגובת שרשרת גרעינית, האיזוטופים של יסודות אלו יתכלו ויצרו שניים או יותר כימיקלים אחרים. בתהליך זה, נפלטות קרני "גמא" כביכול, מתרחש שחרור אינטנסיבי של אנרגיה, נוצרים שניים או שלושה נויטרונים, המסוגלים להמשיך את פעולות התגובה. יש נויטרונים איטיים ומהירים, כי כדי שגרעין האטום יתפרק, החלקיקים האלה חייבים לעוף במהירות מסוימת.
