Die Relativitätstheorie besagt, dass Masse eine besondere Form von Energie ist. Daraus folgt, dass es möglich ist, Masse in Energie und Energie in Masse umzuwandeln. Auf intraatomarer Ebene finden solche Reaktionen statt. Insbesondere kann ein Teil der Masse des Atomkerns selbst in Energie umgewandelt werden. Dies geschieht auf mehrere Arten. Erstens kann der Kern in eine Reihe kleinerer Kerne zerfallen, diese Reaktion wird "Zerfall" genannt. Zweitens können sich kleinere Kerne leicht zu einem größeren verbinden – das ist eine Fusionsreaktion. Im Universum sind solche Reaktionen sehr häufig. Es genügt zu sagen, dass die Fusionsreaktion die Energiequelle für Sterne ist. Aber die Zerfallsreaktion wird von der Menschheit in Kernreaktoren genutzt, da die Menschen gelernt haben, diese komplexen Prozesse zu kontrollieren. Aber was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie wird es verw altet?
Was im Atomkern passiert
Eine nukleare Kettenreaktion ist ein Prozess, der auftritt, wenn Elementarteilchen oder Kerne mit anderen Kernen kollidieren. Warum "Kette"? Dies ist eine Reihe aufeinanderfolgender Einzelkernreaktionen. Als Ergebnis dieses Prozesses kommt es zu einer Änderung des Quantenzustands und der Nukleonenzusammensetzung des ursprünglichen Kerns, sogar neue Teilchen erscheinen - Reaktionsprodukte. Die Kernkettenreaktion, deren Physik es erlaubt, die Mechanismen der Wechselwirkung von Kernen mit Kernen und mit Teilchen zu untersuchen, ist die Hauptmethode zur Gewinnung neuer Elemente und Isotope. Um den Ablauf einer Kettenreaktion zu verstehen, muss man sich zunächst mit einzelnen auseinandersetzen.
Was wird für die Reaktion benötigt
Um einen solchen Prozess wie eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen, ist es notwendig, Teilchen (ein Kern und ein Nukleon, zwei Kerne) in einem Abstand des starken Wechselwirkungsradius (etwa ein Fermi) näher zusammenzubringen. Wenn die Abstände groß sind, ist die Wechselwirkung geladener Teilchen eine reine Coulomb-Wechselwirkung. Bei einer Kernreaktion werden alle Gesetze eingeh alten: Energieerh altung, Impuls, Impuls, Baryonenladung. Eine nukleare Kettenreaktion wird durch den Symbolsatz a, b, c, d bezeichnet. Das Symbol a bezeichnet den ursprünglichen Kern, b das ankommende Teilchen, c das neu abgehende Teilchen und d den resultierenden Kern.
Reaktionsenergie
Eine nukleare Kettenreaktion kann sowohl unter Absorption als auch unter Freisetzung von Energie ablaufen, die gleich der Massendifferenz der Teilchen nach und vor der Reaktion ist. Die absorbierte Energie bestimmt die minimale kinetische Energie des Stoßes,die sogenannte Schwelle einer Kernreaktion, an der sie ungehindert ablaufen kann. Diese Schwelle hängt von den an der Wechselwirkung beteiligten Teilchen und ihren Eigenschaften ab. Im Anfangsstadium befinden sich alle Teilchen in einem vorbestimmten Quantenzustand.
Umsetzung der Reaktion
Die Hauptquelle geladener Teilchen, die den Kern bombardieren, ist der Teilchenbeschleuniger, der Strahlen aus Protonen, schweren Ionen und leichten Kernen erzeugt. Langsame Neutronen werden durch den Einsatz von Kernreaktoren gewonnen. Um einfallende geladene Teilchen zu fixieren, können verschiedene Arten von Kernreaktionen, sowohl Fusion als auch Zerfall, verwendet werden. Ihre Wahrscheinlichkeit hängt von den Parametern der kollidierenden Teilchen ab. Diese Wahrscheinlichkeit ist mit einem Merkmal wie dem Reaktionsquerschnitt verbunden - dem Wert der effektiven Fläche, die den Kern als Ziel für einfallende Teilchen charakterisiert und ein Maß für die Wahrscheinlichkeit ist, dass das Teilchen und der Kern in Wechselwirkung treten. Wenn Teilchen mit einem Spin ungleich Null an der Reaktion teilnehmen, hängt der Wirkungsquerschnitt direkt von ihrer Orientierung ab. Da die Spins der einfallenden Teilchen nicht völlig zufällig orientiert, sondern mehr oder weniger geordnet sind, werden alle Teilchen polarisiert. Die quantitative Eigenschaft der orientierten Strahlspins wird durch den Polarisationsvektor beschrieben.
Reaktionsmechanismus
Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um eine Folge einfacherer Reaktionen. Die Eigenschaften des einfallenden Teilchens und seine Wechselwirkung mit dem Kern hängen von Masse, Ladung,kinetische Energie. Die Wechselwirkung wird durch den Freiheitsgrad der Kerne bestimmt, die beim Stoß angeregt werden. Die Kontrolle über all diese Mechanismen ermöglicht einen Prozess wie eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion.
Direkte Reaktionen
Wenn ein geladenes Teilchen, das auf den Zielkern trifft, diesen nur berührt, dann ist die Dauer der Kollision gleich der Entfernung, die notwendig ist, um die Entfernung des Kernradius zu überwinden. Eine solche Kernreaktion wird direkte Reaktion genannt. Gemeinsames Merkmal aller Reaktionen dieser Art ist die Anregung weniger Freiheitsgrade. Bei einem solchen Vorgang hat das Teilchen nach dem ersten Stoß noch genügend Energie, um die Kernanziehung zu überwinden. Beispielsweise beziehen sich solche Wechselwirkungen wie inelastische Streuung von Neutronen, Ladungsaustausch und direkte. Der Beitrag solcher Prozesse zu dem als "Gesamtquerschnitt" bezeichneten Merkmal ist ziemlich vernachlässigbar. Die Verteilung der Produkte des Durchgangs einer direkten Kernreaktion ermöglicht es jedoch, die Wahrscheinlichkeit des Austritts aus dem Strahlrichtungswinkel, Quantenzahlen, die Selektivität der besetzten Zustände und ihre Struktur zu bestimmen.
Emission vor dem Gleichgewicht
Wenn das Teilchen nach der ersten Kollision den Bereich der nuklearen Wechselwirkung nicht verlässt, wird es in eine ganze Kaskade aufeinanderfolgender Kollisionen verwickelt sein. Das ist eigentlich nur das, was man eine nukleare Kettenreaktion nennt. Als Ergebnis dieser Situation wird die kinetische Energie des Teilchens verteiltBestandteile des Zellkerns. Der Zustand des Kerns selbst wird allmählich viel komplizierter. Während dieses Vorgangs kann ein bestimmtes Nukleon oder ein ganzer Cluster (eine Gruppe von Nukleonen) Energie konzentrieren, die für die Emission dieses Nukleons aus dem Kern ausreichend ist. Eine weitere Entspannung führt zur Bildung des statistischen Gleichgewichts und zur Bildung eines zusammengesetzten Kerns.
Kettenreaktionen
Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Dies ist die Reihenfolge seiner Bestandteile. Das heißt, mehrere aufeinanderfolgende Einzelkernreaktionen, die durch geladene Teilchen verursacht werden, erscheinen als Reaktionsprodukte in den vorherigen Schritten. Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Zum Beispiel die Sp altung schwerer Kerne, wenn mehrere Sp altungsereignisse durch Neutronen ausgelöst werden, die bei früheren Zerfällen erh alten wurden.
Merkmale einer nuklearen Kettenreaktion
Unter allen chemischen Reaktionen sind Kettenreaktionen weit verbreitet. Teilchen mit ungenutzten Bindungen spielen die Rolle von freien Atomen oder Radikalen. In einem Prozess wie einer nuklearen Kettenreaktion wird der Mechanismus ihres Auftretens durch Neutronen bereitgestellt, die keine Coulomb-Barriere haben und den Kern bei Absorption anregen. Wenn das notwendige Teilchen im Medium erscheint, dann verursacht es eine Kette von nachfolgenden Umwandlungen, die fortgesetzt wird, bis die Kette durch den Verlust des Trägerteilchens bricht.
Warum der Spediteur verloren geht
Es gibt nur zwei Gründe für den Verlust des Trägerteilchens einer kontinuierlichen Reaktionskette. Die erste ist die Absorption des Teilchens ohne den Prozess der Emissionzweitrangig. Die zweite ist die Entfernung des Teilchens über die Grenze des Volumens der Substanz hinaus, die den Kettenprozess unterstützt.
Zwei Arten von Prozessen
Wenn in jeder Periode der Kettenreaktion nur ein einziges Trägerteilchen geboren wird, dann kann dieser Prozess als unverzweigt bezeichnet werden. Es kann nicht zu einer großflächigen Freisetzung von Energie kommen. Wenn viele Trägerteilchen vorhanden sind, spricht man von einer verzweigten Reaktion. Was ist eine Kernkettenreaktion mit Verzweigung? Eines der im vorherigen Akt erh altenen Sekundärteilchen setzt die früher begonnene Kette fort, während die anderen neue Reaktionen erzeugen, die sich ebenfalls verzweigen. Dieser Prozess konkurriert mit den Prozessen, die zum Bruch führen. Die daraus resultierende Situation wird spezifische kritische und einschränkende Phänomene hervorrufen. Wenn es beispielsweise mehr Brüche als rein neue Ketten gibt, dann ist eine Selbsterh altung der Reaktion unmöglich. Selbst wenn es künstlich angeregt wird, indem die erforderliche Anzahl von Teilchen in ein bestimmtes Medium eingebracht wird, wird der Prozess dennoch mit der Zeit (normalerweise ziemlich schnell) abklingen. Wenn die Anzahl neuer Ketten die Anzahl der Brüche übersteigt, beginnt sich eine nukleare Kettenreaktion über die gesamte Substanz auszubreiten.
Kritischer Zustand
Der kritische Zustand trennt den Bereich des Aggregatzustands mit einer entwickelten selbsterh altenden Kettenreaktion und den Bereich, in dem diese Reaktion überhaupt nicht möglich ist. Dieser Parameter ist durch die Gleichheit zwischen der Anzahl neuer Sch altkreise und der Anzahl möglicher Unterbrechungen gekennzeichnet. Wie das Vorhandensein eines freien Trägerpartikels ist das kritischStaat ist der Hauptpunkt in einer solchen Liste wie "Bedingungen für die Durchführung einer nuklearen Kettenreaktion". Das Erreichen dieses Zustands kann durch eine Anzahl möglicher Faktoren bestimmt werden. Die Sp altung des Kerns eines schweren Elements wird durch nur ein Neutron angeregt. Als Ergebnis eines Prozesses wie einer Kernsp altungskettenreaktion werden mehr Neutronen erzeugt. Daher kann dieser Prozess eine verzweigte Reaktion hervorrufen, bei der Neutronen als Träger wirken. In dem Fall, in dem die Rate der Neutroneneinfänge ohne Sp altung oder Austritte (Verlustrate) durch die Vermehrungsrate der Trägerteilchen kompensiert wird, läuft die Kettenreaktion in einem stationären Modus ab. Diese Gleichheit kennzeichnet den Multiplikationsfaktor. Im obigen Fall ist es gleich eins. In der Kernkraft ist es aufgrund der Einführung einer negativen Rückkopplung zwischen der Geschwindigkeit der Energiefreisetzung und dem Multiplikationsfaktor möglich, den Verlauf einer Kernreaktion zu steuern. Wenn dieser Koeffizient größer als eins ist, entwickelt sich die Reaktion exponentiell. Unkontrollierte Kettenreaktionen werden in Atomwaffen eingesetzt.
Nukleare Kettenreaktion in Energie
Die Reaktivität eines Reaktors wird durch eine Vielzahl von Prozessen bestimmt, die in seinem Kern ablaufen. Alle diese Einflüsse werden durch den sogenannten Reaktivitätskoeffizienten bestimmt. Die Auswirkung von Temperaturänderungen von Graphitstäben, Kühlmitteln oder Uran auf die Reaktivität des Reaktors und die Intensität eines solchen Prozesses wie einer nuklearen Kettenreaktion werden durch einen Temperaturkoeffizienten (für Kühlmittel, für Uran, für Graphit) gekennzeichnet. Es gibt auch abhängige Merkmale in Bezug auf Leistung, in Bezug auf barometrische Indikatoren und in Bezug auf Dampfindikatoren. Um eine Kernreaktion in einem Reaktor aufrechtzuerh alten, müssen einige Elemente in andere umgewandelt werden. Dazu müssen die Bedingungen für den Ablauf einer nuklearen Kettenreaktion berücksichtigt werden - das Vorhandensein einer Substanz, die in der Lage ist, während des Zerfalls eine bestimmte Anzahl von Elementarteilchen zu teilen und von sich selbst freizusetzen, was als Ergebnis, wird die Sp altung der verbleibenden Kerne verursachen. Als eine solche Substanz werden häufig Uran-238, Uran-235, Plutonium-239 verwendet. Während einer nuklearen Kettenreaktion zerfallen die Isotope dieser Elemente und bilden zwei oder mehr andere Chemikalien. Bei diesem Vorgang werden sogenannte "Gamma"-Strahlen emittiert, es kommt zu einer intensiven Energiefreisetzung, es entstehen zwei oder drei Neutronen, die in der Lage sind, die Reaktionsvorgänge fortzusetzen. Es gibt langsame und schnelle Neutronen, denn damit der Kern eines Atoms zerfallen kann, müssen diese Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit fliegen.
