تقول نظرية النسبية أن الكتلة هي شكل خاص من أشكال الطاقة. ويترتب على ذلك أنه من الممكن تحويل الكتلة إلى طاقة وطاقة إلى كتلة. تحدث مثل هذه التفاعلات على المستوى داخل الذرة. على وجه الخصوص ، قد تتحول بعض كتلة النواة الذرية نفسها إلى طاقة. يحدث هذا بعدة طرق. أولاً ، يمكن للنواة أن تتحلل إلى عدد من النوى الأصغر ، وهذا التفاعل يسمى "الاضمحلال". ثانيًا ، يمكن أن تتحد النوى الأصغر بسهولة لتكوين نواة أكبر - وهذا تفاعل اندماج. ردود الفعل هذه شائعة جدًا في الكون. يكفي القول بأن تفاعل الاندماج هو مصدر طاقة النجوم. لكن رد فعل التحلل يستخدم من قبل البشر في المفاعلات النووية ، حيث تعلم الناس التحكم في هذه العمليات المعقدة. لكن ما هو التفاعل النووي المتسلسل؟ كيف تديرها؟
ماذا يحدث في نواة الذرة
التفاعل النووي المتسلسل هو عملية تحدث عندما تصطدم الجسيمات الأولية أو النوى بنوى أخرى. لماذا "السلسلة"؟ هذه مجموعة من التفاعلات النووية الفردية المتتالية. نتيجة لهذه العملية ، يحدث تغيير في الحالة الكمومية وتكوين النوكليون للنواة الأصلية ، حتى تظهر جزيئات جديدة - نواتج التفاعل. إن التفاعل المتسلسل النووي ، الذي تسمح فيزياءه للفرد بدراسة آليات تفاعل النوى مع النوى والجسيمات ، هو الطريقة الرئيسية للحصول على عناصر ونظائر جديدة. من أجل فهم تدفق سلسلة من ردود الفعل ، يجب على المرء أولاً التعامل مع تفاعل واحد.
ما هو المطلوب لرد الفعل
من أجل تنفيذ عملية مثل تفاعل نووي متسلسل ، من الضروري تقريب الجسيمات (نواة ونواة ، نواتان) من بعضها البعض على مسافة نصف قطر التفاعل القوي (حوالي فيرمي واحد). إذا كانت المسافات كبيرة ، فسيكون تفاعل الجسيمات المشحونة هو كولوم تمامًا. في التفاعل النووي ، يتم ملاحظة جميع القوانين: الحفاظ على الطاقة ، الزخم ، الزخم ، شحنة الباريون. يتم الإشارة إلى تفاعل نووي متسلسل بواسطة مجموعة الرموز أ ، ب ، ج ، د. يشير الرمز أ إلى النواة الأصلية ، ب الجسيم الوارد ، ج الجسيم الخارج الجديد ، د إلى النواة الناتجة.
طاقة رد الفعل
يمكن أن يحدث تفاعل نووي متسلسل مع كل من الامتصاص وإطلاق الطاقة ، وهو ما يساوي الفرق في كتل الجسيمات بعد التفاعل وقبله. تحدد الطاقة الممتصة الحد الأدنى من الطاقة الحركية للتصادم ،ما يسمى بعتبة التفاعل النووي ، والتي يمكن عندها المضي قدمًا بحرية. تعتمد هذه العتبة على الجسيمات المشاركة في التفاعل وخصائصها. في المرحلة الأولية ، تكون جميع الجسيمات في حالة كمية محددة مسبقًا.
تنفيذ رد الفعل
المصدر الرئيسي للجسيمات المشحونة التي تقصف النواة هو معجل الجسيمات ، الذي ينتج حزم من البروتونات والأيونات الثقيلة والنوى الخفيفة. يتم الحصول على النيوترونات البطيئة من خلال استخدام المفاعلات النووية. لإصلاح الجسيمات المشحونة العارضة ، يمكن استخدام أنواع مختلفة من التفاعلات النووية ، سواء الاندماج أو الاضمحلال. يعتمد احتمالها على معاملات الجسيمات التي تصطدم. يرتبط هذا الاحتمال بخاصية مثل المقطع العرضي للتفاعل - قيمة المنطقة الفعالة ، التي تميز النواة كهدف للجسيمات الساقطة وهي مقياس لاحتمال دخول الجسيم والنواة في التفاعل. إذا شاركت الجسيمات ذات الدوران غير الصفري في التفاعل ، فإن المقطع العرضي يعتمد بشكل مباشر على اتجاهها. نظرًا لأن دوران الجسيمات الساقطة ليس موجهًا بشكل عشوائي تمامًا ، ولكنه مرتب إلى حد ما ، فإن جميع الجسيمات ستكون مستقطبة. يتم وصف الخاصية الكمية لدوران الحزمة الموجهة بواسطة متجه الاستقطاب.
آلية التفاعل
ما هو التفاعل النووي المتسلسل؟ كما ذكرنا سابقًا ، هذه سلسلة من التفاعلات الأبسط. تعتمد خصائص الجسيم الساقط وتفاعله مع النواة على الكتلة والشحنة والطاقة الحركية. يتم تحديد التفاعل حسب درجة حرية النوى التي يتم تحمسها أثناء الاصطدام. يسمح التحكم في كل هذه الآليات بإجراء عملية مثل تفاعل تسلسلي نووي متحكم فيه.
ردود فعل مباشرة
إذا لامسها جسيم مشحون يصطدم بالنواة المستهدفة فقط ، فإن مدة التصادم ستكون مساوية للمسافة اللازمة للتغلب على مسافة نصف قطر النواة. يسمى هذا التفاعل النووي رد فعل مباشر. السمة المشتركة لجميع ردود الفعل من هذا النوع هي إثارة عدد قليل من درجات الحرية. في مثل هذه العملية ، بعد الاصطدام الأول ، لا يزال للجسيم طاقة كافية للتغلب على الجاذبية النووية. على سبيل المثال ، التفاعلات مثل التشتت غير المرن للنيوترونات ، وتبادل الشحنة ، والإشارة إلى المباشر. إن مساهمة هذه العمليات في الخاصية المسماة "المقطع العرضي الكلي" ضئيلة للغاية. ومع ذلك ، فإن توزيع نواتج مرور تفاعل نووي مباشر يجعل من الممكن تحديد احتمال الهروب من زاوية اتجاه الحزمة ، والأرقام الكمية ، وانتقائية الحالات المأهولة بالسكان ، وتحديد هيكلها.
انبعاث التوازن المسبق
إذا لم يغادر الجسيم منطقة التفاعل النووي بعد الاصطدام الأول ، فسيشارك في سلسلة كاملة من الاصطدامات المتتالية. هذا في الواقع ما يسمى بالتفاعل النووي المتسلسل. نتيجة لهذا الموقف ، يتم توزيع الطاقة الحركية للجسيم بينالأجزاء المكونة للنواة. ستصبح حالة النواة نفسها تدريجيًا أكثر تعقيدًا. خلال هذه العملية ، يمكن لنوكلون معين أو مجموعة كاملة (مجموعة من النيوكليونات) تركيز الطاقة الكافية لانبعاث هذه النواة من النواة. مزيد من الاسترخاء سيؤدي إلى تكوين توازن إحصائي وتكوين نواة مركبة.
سلسلة من ردود الفعل
ما هو التفاعل النووي المتسلسل؟ هذا هو تسلسل الأجزاء المكونة لها. أي أن التفاعلات النووية الفردية المتعددة المتتالية الناتجة عن الجسيمات المشحونة تظهر كمنتجات تفاعل في الخطوات السابقة. ما هو تفاعل نووي متسلسل؟ على سبيل المثال ، انشطار النوى الثقيلة ، عندما تبدأ أحداث انشطارية متعددة بواسطة النيوترونات التي تم الحصول عليها خلال الاضمحلال السابق.
ميزات تفاعل نووي متسلسل
من بين جميع التفاعلات الكيميائية ، تستخدم التفاعلات المتسلسلة على نطاق واسع. تلعب الجسيمات ذات الروابط غير المستخدمة دور الذرات أو الجذور الحرة. في عملية مثل التفاعل المتسلسل النووي ، يتم توفير آلية حدوثه بواسطة النيوترونات ، التي لا تحتوي على حاجز كولوم وتثير النواة عند الامتصاص. إذا ظهر الجسيم الضروري في الوسط ، فإنه يتسبب في سلسلة من التحولات اللاحقة التي ستستمر حتى تنكسر السلسلة بسبب فقدان الجسيم الحامل.
لماذا ضاع الناقل
هناك سببان فقط لفقدان الجسيم الحامل لسلسلة مستمرة من التفاعلات. الأول هو امتصاص الجسيم دون عملية الانبعاثثانوي. والثاني هو خروج الجسيم عن حد حجم المادة الذي يدعم عملية السلسلة.
نوعان من العمليات
إذا وُلد جسيم حامل واحد فقط في كل فترة من التفاعل المتسلسل ، فيمكن عندئذٍ تسمية هذه العملية غير الممنوحة. لا يمكن أن يؤدي إلى إطلاق الطاقة على نطاق واسع. إذا كان هناك العديد من الجسيمات الحاملة ، فإن هذا يسمى تفاعل متفرع. ما هو تفاعل نووي متسلسل مع المتفرعة؟ سيستمر أحد الجسيمات الثانوية التي تم الحصول عليها في الفعل السابق في السلسلة التي بدأت في وقت سابق ، بينما سيخلق الآخرون تفاعلات جديدة ستتفرع أيضًا. ستتنافس هذه العملية مع العمليات المؤدية إلى الانقطاع. سوف يؤدي الوضع الناتج إلى ظهور ظواهر حرجة ومحددة معينة. على سبيل المثال ، إذا كان هناك المزيد من الاستراحات أكثر من السلاسل الجديدة البحتة ، فسيكون من المستحيل الاكتفاء الذاتي من رد الفعل. حتى لو تم تحفيزها بشكل مصطنع عن طريق إدخال العدد المطلوب من الجسيمات في وسط معين ، فستظل العملية تتحلل بمرور الوقت (عادةً بسرعة إلى حد ما). إذا تجاوز عدد السلاسل الجديدة عدد الفواصل ، فسيبدأ تفاعل نووي متسلسل بالانتشار في جميع أنحاء المادة.
حالة حرجة
تفصل الحالة الحرجة منطقة حالة المادة بتفاعل متسلسل متطور مستدام ذاتيًا ، والمنطقة التي يكون فيها هذا التفاعل مستحيلًا على الإطلاق. تتميز هذه المعلمة بالمساواة بين عدد الدوائر الجديدة وعدد الفواصل الممكنة. مثل وجود جسيم حامل حر ، المهمالدولة هي العنصر الرئيسي في قائمة مثل "شروط تنفيذ سلسلة تفاعل نووي". يمكن تحديد تحقيق هذه الحالة من خلال عدد من العوامل المحتملة. يتم تحفيز انشطار نواة عنصر ثقيل بواسطة نيوترون واحد فقط. نتيجة لعملية مثل تفاعل سلسلة الانشطار النووي ، يتم إنتاج المزيد من النيوترونات. لذلك ، يمكن أن تنتج هذه العملية تفاعلًا متفرعًا ، حيث تعمل النيوترونات كناقلات. في الحالة التي يتم فيها تعويض معدل التقاط النيوترونات بدون انشطار أو هروب (معدل الفقد) بمعدل تكاثر الجسيمات الحاملة ، فإن التفاعل المتسلسل سوف يستمر في وضع ثابت. هذه المساواة تميز عامل الضرب. في الحالة أعلاه ، يساوي واحد. في الطاقة النووية ، بسبب إدخال ردود فعل سلبية بين معدل إطلاق الطاقة وعامل الضرب ، من الممكن التحكم في مسار التفاعل النووي. إذا كان هذا المعامل أكبر من واحد ، فإن التفاعل سوف يتطور أضعافا مضاعفة. ردود الفعل المتسلسلة غير المنضبط تستخدم في الأسلحة النووية.
تفاعل نووي متسلسل في الطاقة
يتم تحديد تفاعل المفاعل من خلال عدد كبير من العمليات التي تحدث في جوهره. يتم تحديد كل هذه التأثيرات من خلال ما يسمى بمعامل التفاعل. يتميز تأثير التغيرات في درجة حرارة قضبان الجرافيت أو المبردات أو اليورانيوم على تفاعل المفاعل وشدة مثل هذه العملية مثل تفاعل نووي متسلسل بمعامل درجة حرارة (للمبرد ، لليورانيوم ، للجرافيت).هناك أيضًا خصائص تابعة من حيث القوة ، من حيث المؤشرات البارومترية ، من حيث مؤشرات البخار. للحفاظ على التفاعل النووي في المفاعل ، من الضروري تحويل بعض العناصر إلى عناصر أخرى. للقيام بذلك ، من الضروري مراعاة شروط تدفق تفاعل نووي متسلسل - وجود مادة قادرة على الانقسام والإفراج عن نفسها أثناء تحلل عدد معين من الجسيمات الأولية ، والتي ، نتيجة لذلك ، سوف يتسبب في انشطار النوى المتبقية. على هذا النحو ، غالبًا ما يتم استخدام اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239. أثناء مرور تفاعل نووي متسلسل ، سوف تتحلل نظائر هذه العناصر وتشكل مادتين كيميائيتين أو أكثر. في هذه العملية ، ينبعث ما يسمى بأشعة "جاما" ، ويحدث إطلاق مكثف للطاقة ، ويتم تكوين نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات ، قادرة على مواصلة أعمال التفاعل. هناك نيوترونات بطيئة وسريعة ، لأنه لكي تتفكك نواة الذرة ، يجب أن تطير هذه الجسيمات بسرعة معينة.
