Цепная ядерная реакция

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск
 Просмотр этого шаблона  Ядерная физика
160px
Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция
См. также: Портал:Физика

Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.









Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергии. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 107 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.

Цепные реакции

Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.

Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.

Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.

Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно от 2 до 3). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.

См. также

Напишите отзыв о статье "Цепная ядерная реакция"

Литература

  • 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.


Отрывок, характеризующий Цепная ядерная реакция

– А откуда же тогда здесь вы? Как вы могли попасть сюда? – удивился Арно.
– Это длинная история. Но это и вправду не наше место... Стелла живёт на самом «верху». Ну, а я вообще ещё на Земле...
– Как – на Земле?! – ошеломлённо спросил он. – Это значит – ты ещё живая?.. А как же ты оказалась здесь? Да ещё в такой жути?
– Ну, если честно, я тоже не слишком люблю это место... – улыбнувшись, поёжилась я. – Но иногда здесь появляются очень хорошие люди. И мы пытаемся им помочь, как помогли вам...
– И что же мне теперь делать? Я ведь не знаю здесь ничего... И, как оказалось, я тоже убивал. Значит это как раз и есть моё место... Да и о них кому-то надо бы позаботиться, – ласково потрепав одного из малышей по кудрявой головке, произнёс Арно.
Детишки глазели на него со всё возраставшим доверием, ну, а девчушка вообще вцепилась, как клещ, не собираясь его отпускать... Она была ещё совсем крохотулей, с большими серыми глазами и очень забавной, улыбчивой рожицей весёлой обезьянки. В нормальной жизни, на «настоящей» Земле, она наверняка была очень милым и ласковым, всеми любимым ребёнком. Здесь же, после всех пережитых ужасов, её чистое смешливое личико выглядело до предела измученным и бледным, а в серых глазах постоянно жил ужас и тоска... Её братишки были чуточку старше, наверное, годиков 5 и 6. Они выглядели очень напуганными и серьёзными, и в отличие от своей маленькой сестры, не высказывали ни малейшего желания общаться. Девчушка – единственная из тройки видимо нас не боялась, так как очень быстро освоившись с «новоявленным» другом, уже совершенно бойко спросила:
– Меня зовут Майя. А можно мне, пожалуйста, с вами остаться?.. И братикам тоже? У нас теперь никого нет. Мы будем вам помогать, – и обернувшись уже к нам со Стеллой, спросила, – А вы здесь живёте, девочки? Почему вы здесь живёте? Здесь так страшно...
Своим непрекращающимся градом вопросов и манерой спрашивать сразу у двоих, она мне сильно напомнила Стеллу. И я от души рассмеялась...
– Нет, Майя, мы, конечно же, здесь не живём. Это вы были очень храбрыми, что сами приходили сюда. Нужно очень большое мужество, чтобы совершить такое... Вы настоящие молодцы! Но теперь вам придётся вернуться туда, откуда вы сюда пришли, у вас нет больше причины, чтобы здесь оставаться.
– А мама с папой «совсем» погибли?.. И мы уже не увидим их больше... Правда?
Пухлые Майины губки задёргались, и на щёчке появилась первая крупная слеза... Я знала, что если сейчас же это не остановить – слёз будет очень много... А в нашем теперешнем «общевзвинченном» состоянии допускать это было никак нельзя...
– Но вы ведь живы, правда же?! Поэтому, хотите этого или нет, но вам придётся жить. Думаю, что мама с папой были бы очень счастливы, если б узнали, что с вами всё хорошо. Они ведь очень любили вас... – как могла веселее, сказала я.
– Откуда ты это знаешь? – удивлённо уставилась на меня малышка.
– Ну, они свершили очень тяжёлый поступок, спасая вас. Поэтому, думаю, только очень сильно любя кого-то и дорожа этим, можно такое совершить...
– А куда мы теперь пойдём? Мы с вами пойдём?.. – вопросительно-умоляюще глядя на меня своими огромными серыми глазищами, спросила Майя.
– Вот Арно хотел бы вас забрать с собой. Что вы об этом думаете? Ему тоже не сладко... И ещё со многим придётся свыкнуться, чтобы выжить. Вот и поможете друг другу... Так, думаю, будет очень правильно.
Стелла наконец-таки пришла в себя, и сразу же «кинулась в атаку»:
– А как случилось, что этот монстр заполучил тебя, Арно? Ты хоть что-нибудь помнишь?..
– Нет... Я помню только свет. А потом очень яркий луг, залитый солнцем... Но это уже не была Земля – это было что-то чудесное и совершенно прозрачное... Такого на Земле не бывает. Но тут же всё исчезло, а «проснулся» я уже здесь и сейчас.
– А что если я попробую «посмотреть» через вас? – вдруг пришла мне в голову совершенно дикая мысль.
– Как – через меня? – удивился Арно.
– Ой, а ведь правильно! – тут же воскликнула Стелла. – Как я сама не подумала?!
– Ну, иногда, как видишь, и мне что-то в голову приходит... – рассмеялась я. – Не всегда же только тебе придумывать!
Я попробовала «включиться» в его мысли – ничего не происходило... Попробовала вместе с ним «вспомнить» тот момент, когда он «уходил»...
– Ой, ужас какой!!! – пискнула Стелла. – Смотри, это когда они захватили его!!!
У меня остановилось дыхание... Картинка, которую мы увидали, была и правда не из приятных! Это был момент, когда Арно только что умер, и его сущность начала подниматься по голубому каналу вверх. А прямо за ним... к тому же каналу, подкрались три совершенно кошмарных существа!.. Двое из них были наверняка нижнеастральные земные сущности, а вот третий явно казался каким-то другим, очень страшным и чужеродным, явно не земным... И все эти существа очень целеустремлённо гнались за человеком, видимо пытаясь его зачем-то заполучить... А он, бедняжка, даже не подозревая, что за ним так «мило» охотятся, парил в серебристо-голубой, светлой тишине, наслаждаясь необычно глубоким, неземным покоем, и, жадно впитывая в себя этот покой, отдыхал душой, забыв на мгновение дикую, разрушившую сердце земную боль, «благодаря» которой он и угодил сегодня в этот прозрачный, незнакомый мир...
В конце канала, уже у самого входа на «этаж», двое чудищ молниеносно юркнули следом за Арно в тот же канал и неожиданно слились в одно, а потом это «одно» быстренько втекло в основного, самого мерзкого, который наверняка был и самым сильным из них. И он напал... Вернее, стал вдруг совершенно плоским, «растёкся» почти до прозрачного дымка, и «окутав» собой ничего не подозревавшего Арно, полностью запеленал его сущность, лишая его бывшего «я» и вообще какого-либо «присутствия»... А после, жутко хохоча, тут же уволок уже захваченную сущность бедного Арно (только что зревшего красоту приближавшегося верхнего «этажа») прямиком в нижний астрал....