Thuyết tương đối nói rằng khối lượng là một dạng năng lượng đặc biệt. Theo đó có thể chuyển khối lượng thành năng lượng và cơ năng thành khối lượng. Ở cấp độ nội nguyên tử, các phản ứng như vậy diễn ra. Đặc biệt, một số khối lượng của hạt nhân nguyên tử tự nó có thể biến thành năng lượng. Điều này xảy ra theo một số cách. Đầu tiên, hạt nhân có thể phân rã thành một số hạt nhân nhỏ hơn, phản ứng này được gọi là "phân rã". Thứ hai, các hạt nhân nhỏ hơn có thể dễ dàng kết hợp để tạo thành một hạt lớn hơn - đây là phản ứng nhiệt hạch. Trong vũ trụ, những phản ứng như vậy rất phổ biến. Chỉ cần nói rằng phản ứng nhiệt hạch là nguồn cung cấp năng lượng cho các ngôi sao. Nhưng phản ứng phân rã được nhân loại sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, vì con người đã học cách điều khiển các quá trình phức tạp này. Nhưng phản ứng dây chuyền hạt nhân là gì? Làm thế nào để quản lý nó?
Điều gì xảy ra trong hạt nhân của nguyên tử
Phản ứng dây chuyền hạt nhân là một quá trình xảy ra khi các hạt cơ bản hoặc hạt nhân va chạm với các hạt nhân khác. Tại sao lại là "dây chuyền"? Đây là một tập hợp các phản ứng hạt nhân đơn lẻ liên tiếp. Kết quả của quá trình này là xảy ra sự thay đổi trạng thái lượng tử và thành phần nucleon của hạt nhân ban đầu, thậm chí xuất hiện các hạt mới - sản phẩm phản ứng. Phản ứng dây chuyền hạt nhân, mà vật lý học cho phép người ta nghiên cứu các cơ chế tương tác của hạt nhân với hạt nhân và với các hạt, là phương pháp chính để thu được các nguyên tố và đồng vị mới. Để hiểu được quy trình của một chuỗi phản ứng, trước tiên người ta phải giải quyết những phản ứng đơn lẻ.
Điều gì cần thiết cho phản ứng
Để thực hiện một quá trình như một chuỗi phản ứng hạt nhân, cần phải đưa các hạt (một hạt nhân và một nucleon, hai hạt nhân) lại gần nhau hơn ở một khoảng bán kính tương tác mạnh (khoảng một fermi). Nếu khoảng cách lớn, thì tương tác của các hạt mang điện sẽ hoàn toàn là Coulomb. Trong một phản ứng hạt nhân, tất cả các định luật được tuân theo: bảo toàn năng lượng, động lượng, động lượng, điện tích baryon. Một chuỗi phản ứng hạt nhân được ký hiệu bằng bộ ký hiệu a, b, c, d. Ký hiệu a biểu thị hạt nhân ban đầu, b là hạt tới, c là hạt mới đi và d là hạt nhân tạo thành.
Năng lượng phản ứng
Một chuỗi phản ứng hạt nhân có thể diễn ra cả khi hấp thụ và giải phóng năng lượng, bằng sự chênh lệch về khối lượng của các hạt sau phản ứng và trước nó. Năng lượng hấp thụ quyết định động năng nhỏ nhất của vụ va chạm,cái gọi là ngưỡng của một phản ứng hạt nhân, tại đó nó có thể tự do tiến hành. Ngưỡng này phụ thuộc vào các hạt tham gia vào tương tác và vào các đặc tính của chúng. Ở giai đoạn đầu, tất cả các hạt đều ở trạng thái lượng tử xác định trước.
Thực hiện phản ứng
Nguồn chính của các hạt mang điện bắn phá hạt nhân là máy gia tốc hạt, tạo ra chùm proton, ion nặng và hạt nhân nhẹ. Các nơtron chậm thu được thông qua việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân. Để sửa chữa các hạt mang điện tới, có thể sử dụng các loại phản ứng hạt nhân khác nhau, cả nhiệt hạch và phân rã. Xác suất của chúng phụ thuộc vào các thông số của các hạt va chạm. Xác suất này được kết hợp với một đặc tính như tiết diện phản ứng - giá trị của diện tích hiệu dụng, đặc trưng cho hạt nhân là mục tiêu của các hạt tới và là thước đo xác suất mà hạt nhân và hạt nhân sẽ tham gia vào tương tác. Nếu các hạt có spin khác không tham gia phản ứng, thì tiết diện trực tiếp phụ thuộc vào hướng của chúng. Vì spin của các hạt tới không hoàn toàn được định hướng ngẫu nhiên, nhưng ít nhiều có thứ tự, nên tất cả các tiểu thể sẽ phân cực. Đặc tính định lượng của spin chùm định hướng được mô tả bằng vectơ phân cực.
Cơ chế phản ứng
Phản ứng dây chuyền hạt nhân là gì? Như đã đề cập, đây là một chuỗi các phản ứng đơn giản hơn. Các đặc tính của hạt tới và tương tác của nó với hạt nhân phụ thuộc vào khối lượng, điện tích,động năng. Tương tác được xác định bởi bậc tự do của các hạt nhân, chúng bị kích thích trong quá trình va chạm. Việc giành được quyền kiểm soát tất cả các cơ chế này cho phép tạo ra một quá trình như phản ứng dây chuyền hạt nhân có kiểm soát.
Phản ứng trực tiếp
Nếu một hạt mang điện khi va chạm vào hạt nhân mục tiêu mà chỉ chạm vào nó, thì khoảng thời gian va chạm sẽ bằng khoảng cách cần thiết để vượt qua khoảng cách bán kính hạt nhân. Phản ứng hạt nhân như vậy được gọi là phản ứng trực tiếp. Đặc điểm chung cho tất cả các phản ứng kiểu này là kích thích một số nhỏ bậc tự do. Trong một quá trình như vậy, sau va chạm đầu tiên, hạt vẫn có đủ năng lượng để thắng lực hút hạt nhân. Ví dụ, các tương tác chẳng hạn như sự tán xạ không đàn hồi của neutron, sự trao đổi điện tích và quy chiếu trực tiếp. Sự đóng góp của các quá trình như vậy vào đặc tính được gọi là "tổng mặt cắt ngang" là khá không đáng kể. Tuy nhiên, sự phân bố các sản phẩm của phản ứng hạt nhân trực tiếp giúp xác định xác suất thoát ra khỏi góc hướng chùm tia, các số lượng tử, độ chọn lọc của các trạng thái phổ biến và xác định cấu trúc của chúng.
Phát xạ cân bằng trước
Nếu hạt không rời khỏi vùng tương tác hạt nhân sau vụ va chạm đầu tiên, thì nó sẽ tham gia vào một chuỗi các va chạm liên tiếp. Đây thực chất chỉ là cái được gọi là phản ứng dây chuyền hạt nhân. Kết quả của tình huống này, động năng của hạt được phân phối giữacác bộ phận cấu thành của hạt nhân. Trạng thái của chính hạt nhân sẽ dần trở nên phức tạp hơn nhiều. Trong quá trình này, một nucleon nhất định hoặc cả một cụm (một nhóm nucleon) có thể tập trung năng lượng đủ cho sự phát xạ nucleon này khỏi hạt nhân. Thư giãn hơn nữa sẽ dẫn đến sự hình thành cân bằng thống kê và hình thành một hạt nhân hợp chất.
Phản ứng dây chuyền
Phản ứng dây chuyền hạt nhân là gì? Đây là trình tự của các bộ phận cấu thành của nó. Tức là, nhiều phản ứng hạt nhân đơn lẻ liên tiếp gây ra bởi các hạt mang điện xuất hiện dưới dạng sản phẩm của phản ứng ở các bước trước đó. Chuỗi phản ứng hạt nhân là gì? Ví dụ, sự phân hạch của các hạt nhân nặng, khi nhiều sự kiện phân hạch được bắt đầu bởi các neutron thu được trong quá trình phân rã trước đó.
Đặc điểm của chuỗi phản ứng hạt nhân
Trong số tất cả các phản ứng hóa học, phản ứng dây chuyền được sử dụng rộng rãi. Các hạt với các liên kết không được sử dụng đóng vai trò của các nguyên tử hoặc gốc tự do. Trong một quá trình chẳng hạn như một chuỗi phản ứng hạt nhân, cơ chế xảy ra của nó là do các neutron không có hàng rào Coulomb cung cấp và kích thích hạt nhân khi hấp thụ. Nếu hạt cần thiết xuất hiện trong môi trường, thì nó gây ra một chuỗi biến đổi tiếp theo sẽ tiếp tục cho đến khi chuỗi bị đứt do mất hạt mang.
Tại sao người vận chuyển bị mất
Chỉ có hai lý do dẫn đến việc mất hạt tải điện của một chuỗi phản ứng liên tục. Đầu tiên là sự hấp thụ của hạt mà không có quá trình phát xạthứ hai. Thứ hai là sự rời đi của hạt vượt quá giới hạn thể tích của chất hỗ trợ quá trình dây chuyền.
Hai loại quy trình
Nếu chỉ có một hạt tải điện duy nhất được sinh ra trong mỗi giai đoạn của chuỗi phản ứng, thì quá trình này có thể được gọi là không phân nhánh. Nó không thể dẫn đến việc giải phóng năng lượng trên diện rộng. Nếu có nhiều hạt tải điện thì gọi là phản ứng phân nhánh. Phản ứng dây chuyền hạt nhân có sự phân nhánh là gì? Một trong những hạt thứ cấp thu được trong hành động trước đó sẽ tiếp tục chuỗi bắt đầu trước đó, trong khi những hạt khác sẽ tạo ra các phản ứng mới cũng sẽ phân nhánh. Quá trình này sẽ cạnh tranh với các quá trình dẫn đến phá vỡ. Tình hình kết quả sẽ làm phát sinh các hiện tượng quan trọng và hạn chế cụ thể. Ví dụ, nếu có nhiều lần đứt hơn chuỗi hoàn toàn mới, thì phản ứng tự duy trì sẽ không thể thực hiện được. Ngay cả khi nó được kích thích nhân tạo bằng cách đưa số lượng hạt cần thiết vào một môi trường nhất định, quá trình này vẫn sẽ phân rã theo thời gian (thường là khá nhanh). Nếu số lượng chuỗi mới vượt quá số lần đứt, thì một chuỗi phản ứng hạt nhân sẽ bắt đầu lan truyền khắp chất.
Tình trạng nguy cấp
Trạng thái tới hạn phân tách khu vực của trạng thái vật chất có phản ứng dây chuyền tự duy trì đã phát triển, và khu vực mà phản ứng này là không thể xảy ra. Tham số này được đặc trưng bởi sự bằng nhau giữa số lượng mạch mới và số lần ngắt có thể xảy ra. Giống như sự hiện diện của một hạt mang điện tự do,trạng thái là mục chính trong danh sách như "các điều kiện để thực hiện một chuỗi phản ứng hạt nhân." Việc đạt được trạng thái này có thể được xác định bởi một số yếu tố có thể xảy ra. Sự phân hạch của hạt nhân một nguyên tố nặng chỉ bị kích thích bởi một nơtron. Kết quả của một quá trình chẳng hạn như chuỗi phản ứng phân hạch hạt nhân, nhiều neutron được tạo ra hơn. Do đó, quá trình này có thể tạo ra phản ứng phân nhánh, trong đó neutron sẽ đóng vai trò là hạt tải điện. Trong trường hợp tốc độ bắt giữ neutron mà không phân hạch hoặc thoát ra ngoài (tốc độ mất mát) được bù bằng tốc độ nhân lên của các hạt mang, thì phản ứng dây chuyền sẽ diễn ra ở chế độ đứng yên. Đẳng thức này đặc trưng cho hệ số nhân. Trong trường hợp trên, nó bằng một. Trong điện hạt nhân, do đưa ra phản hồi âm giữa tốc độ giải phóng năng lượng và hệ số nhân, nên có thể điều khiển quá trình phản ứng hạt nhân. Nếu hệ số này lớn hơn một, thì phản ứng sẽ phát triển theo cấp số nhân. Phản ứng dây chuyền không kiểm soát được sử dụng trong vũ khí hạt nhân.
Phản ứng dây chuyền hạt nhân trong năng lượng
Khả năng phản ứng của một lò phản ứng được xác định bởi một số lượng lớn các quá trình xảy ra trong lõi của nó. Tất cả những ảnh hưởng này được xác định bởi cái gọi là hệ số phản ứng. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ của thanh graphit, chất làm mát hoặc uranium lên khả năng phản ứng của lò phản ứng và cường độ của quá trình như một phản ứng dây chuyền hạt nhân được đặc trưng bởi hệ số nhiệt độ (đối với chất làm mát, đối với uranium, đối với graphit). Ngoài ra còn có các đặc tính phụ thuộc về công suất, về chỉ số khí áp, về chỉ số hơi. Để duy trì phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng, cần phải chuyển đổi một số nguyên tố thành những nguyên tố khác. Để làm được điều này, cần phải tính đến các điều kiện để xảy ra chuỗi phản ứng hạt nhân - sự hiện diện của một chất có thể phân chia và giải phóng khỏi chính nó trong quá trình phân rã một số hạt cơ bản nhất định, kết quả là, sẽ gây ra sự phân hạch của các hạt nhân còn lại. Như một chất như vậy, uranium-238, uranium-235, plutonium-239 thường được sử dụng. Trong quá trình diễn ra chuỗi phản ứng hạt nhân, các đồng vị của các nguyên tố này sẽ phân rã và tạo thành hai hoặc nhiều hóa chất khác. Trong quá trình này, cái gọi là tia "gamma" được phát ra, một sự giải phóng năng lượng mãnh liệt xảy ra, hai hoặc ba nơtron được hình thành, có khả năng tiếp tục phản ứng. Có neutron chậm và nhanh, vì để hạt nhân của nguyên tử tan rã, các hạt này phải bay với một tốc độ nhất định.
