Ланцуговая ядзерная рэакцыя

Ядзерная фізіка
Атамнае ядро · Радыеактыўны распад · Ядзерная рэакцыя · Тэрмаядзерная рэакцыя

Ланцуговая ядзерная рэакцыя — паслядоўнасць адзінкавых ядзерных рэакцый, кожная з якіх выклікаецца часціцай, якая з'явілася як прадукт рэакцыі на папярэднім кроку паслядоўнасці. Прыкладам ланцуговай ядзернай рэакцыі з'яўляецца ланцуговая рэакцыя дзялення ядраў цяжкіх элементаў, пры якой асноўная колькасць актаў дзялення ініцыюецца нейтронамі, атрыманымі пры дзяленні ядраў у папярэднім пакаленні.

Механізм энергавыдзялення

[правіць | правіць зыходнік]

Ператварэнне рэчыва суправаджаецца вылучэннем свабоднай энергіі толькі ў тым выпадку, калі рэчыва валодае запасам энергій. Апошняе азначае, што мікрачасціцы рэчыва знаходзяцца ў стане з энергіяй спакою большай, чым у іншым магчымым, пераход у які існуе. Самаадвольнаму пераходу заўсёды перашкаджае энергетычны бар'ер, для пераадолення якога мікрачасціцы павінны атрымаць звонку нейкую колькасць энергіі — энергіі ўзбуджэння. Экзаэнергетычная рэакцыя складаецца ў тым, што ў наступным за узбуджэннем ператварэнні вылучаецца энергіі больш, чым патрабуецца для ўзбуджэння працэсу. Існуюць два спосабы пераадолення энергетычнага бар'ера: альбо за кошт кінетычнай энергіі часціц, якія сутыкаюцца, альбо за кошт энергіі сувязі часціцы, якая далучыцца.

Калі мець на ўвазе макраскапічныя маштабы энергавыдзялення, то неабходную для ўзбуджэння рэакцый кінетычную энергію павінны мець усе ці адпачатку хаця б некаторая доля часціц рэчыва. Гэта дасягальна толькі пры павышэнні тэмпературы асяроддзя да велічыні, пры якой энергія цеплавога руху набліжаецца да велічыні энергетычнага парога, які абмяжоўвае працяг працэсу. У выпадку малекулярных ператварэнняў, гэта значыць хімічных рэакцый, такое павышэнне звычайна складае сотні кельвінаў, у выпадку ж ядзерных рэакцый — гэта мінімум 107 К па-за вельмі вялікай вышыні кулонаўскага бар'ера ядраў, якія сутыкаюцца. Цеплавое ўзбуджэнне ядзерных рэакцый ажыццёўлена на практыцы толькі пры сінтэзе самых лёгкіх ядраў, у якіх кулонаўскія бар'еры мінімальныя (тэрмаядзерны сінтэз).

Узбуджэнне часціцамі, што далучаюцца, не патрабуе вялікай кінетычнай энергіі, і, такім чынам, не залежыць ад тэмпературы асяроддзя, паколькі адбываецца за кошт нявыкарыстаных сувязей, уласцівых часціцам сіл прыцягнення. Але затое для ўзбуджэння рэакцый неабходныя самі часціцы. І калі зноў мець на ўвазе не асобны акт рэакцыі, а атрыманне энергіі ў макраскапічных маштабах, то гэта магчыма толькі пры ўзнікненні ланцуговай рэакцыі. Апошняе ж узнікае, калі часціцы, якія ўзбуджаюць рэакцыю, зноў з'яўляюцца як прадукты экзаэнергетычнай рэакцыі.

Ланцуговыя рэакцыі

[правіць | правіць зыходнік]

Ланцуговыя рэакцыі шырока распаўсюджаныя сярод хімічных рэакцый, дзе ролю часціц з нявыкарыстанымі сувязямі выконваюць свабодныя атамы або радыкалы. Механізм ланцуговай рэакцыі пры ядзерных ператварэннях могуць забяспечыць нейтроны, якія не маюць кулонаўскага бар'ера і ўзбуджальнага ядра пры паглынанні. З'яўленне ў асяроддзі неабходнай часціцы выклікае ланцуг наступных, адна за адной рэакцый, якая працягваецца да абрыву ланцуга з прычыны страты часціцы-носьбіта рэакцыі. Асноўных прычын страт дзве: паглынанне часціцы без выпускання другаснай і сыход часціцы за межы аб'ёму рэчыва, які падтрымлівае ланцуговы працэс. Калі ў кожным акце рэакцыі з'яўляецца толькі адна часціца-носьбіт, то ланцуговая рэакцыя называецца неразгалінаванай. Неразгалінаваная ланцуговая рэакцыя не можа прывесці да энергавыдзялення ў вялікіх маштабах.

Калі ў кожным акце рэакцыі або ў некаторых звёнах ланцуга з'яўляецца больш адной часціцы, то ўзнікае разгалінаваная ланцуговая рэакцыя, бо адна з другасных часціц працягвае распачаты ланцуг, а іншыя даюць новыя ланцугі, якія зноў галінуюцца. Праўда, з працэсам галінавання канкурыруюць працэсы, якія прыводзяць да абрываў ланцугоў, сітуацыя спараджае спецыфічныя для разгалінаваных ланцужных рэакцый гранічныя або крытычныя з'явы. Калі лік абрываў ланцугоў больш, чым колькасць новых ланцугоў, то самападтрымоўваемая ланцуговая рэакцыя (СЛР) аказваецца немагчымай. Нават калі яе распачаць штучна, увёўшы ў асяроддзе нейкую колькасць неабходных часціц, то, паколькі лік ланцугоў ў гэтым выпадку можа толькі змяншацца, распачаты працэс хутка згасае. Калі ж колькасць новых ланцугоў пераўзыходзіць лік абрываў, ланцуговая рэакцыя хутка распаўсюджваецца па ўсім аб'ёме рэчыва пры з'яўленні хоць бы адной пачатковай часціцы.

Вобласць станаў рэчыва з развіццём ланцуговай самападтрымоўваемай рэакцыі аддзеленая ад вобласці, дзе ланцуговая рэакцыя наогул немагчымая, крытычным станам. Крытычны стан характарызуецца роўнасцю паміж лікам новых ланцугоў і лікам абрываў.

Дасягненне крытычнага стану вызначаецца шэрагам фактараў. Дзяленне цяжкага ядра ўзбуджаецца адным нейтронам, а ў выніку акта дзялення з'яўляецца больш аднаго нейтрона (напрыклад, для 235U лік нейтронаў, якія нарадзіліся ў адным акце дзялення, у сярэднім роўна 2,34). Такім чынам, працэс дзялення можа спарадзіць разгалінаваную ланцуговую рэакцыю, носьбітамі якой будуць служыць нейтроны. Калі хуткасць страт нейтронаў (захопаў без падзелу, вылетаў з рэакцыйнага аб'ёму і г. д.) кампенсуе хуткасць размнажэння нейтронаў такім чынам, што эфектыўны каэфіцыент размнажэння нейтронаў ў дакладнасці роўны адзінцы, то ланцуговая рэакцыя ідзе ў стацыянарным рэжыме. Увядзенне адмоўных зваротных сувязяў паміж эфектыўным каэфіцыентам размнажэння і хуткасцю энергавыдзялення дазваляе ажыццявіць кіраваную ланцуговую рэакцыю, якая выкарыстоўваецца, напрыклад, у ядзернай энергетыцы. Калі каэфіцыент размнажэння больш адзінкі, ланцуговая рэакцыя развіваецца экспанентна; непадуладная нам ланцуговая рэакцыя дзялення выкарыстоўваецца ў ядзернай зброі.

Літаратура

[правіць | правіць зыходнік]
  • Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — М. Атомиздат, 1971.
  • Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы / 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.
  • Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.