Teori relativitas mengatakan bahwa massa adalah bentuk energi khusus. Oleh karena itu adalah mungkin untuk mengubah massa menjadi energi dan energi menjadi massa. Pada tingkat intraatomik, reaksi seperti itu terjadi. Secara khusus, beberapa massa inti atom itu sendiri mungkin berubah menjadi energi. Ini terjadi dalam beberapa cara. Pertama, inti dapat meluruh menjadi sejumlah inti yang lebih kecil, reaksi ini disebut “peluruhan”. Kedua, inti yang lebih kecil dapat dengan mudah bergabung untuk membuat yang lebih besar - ini adalah reaksi fusi. Di alam semesta, reaksi seperti itu sangat umum. Cukuplah untuk mengatakan bahwa reaksi fusi adalah sumber energi bagi bintang-bintang. Tetapi reaksi peluruhan digunakan oleh umat manusia dalam reaktor nuklir, karena orang telah belajar mengendalikan proses kompleks ini. Tapi apa itu reaksi berantai nuklir? Bagaimana cara mengelolanya?
Apa yang terjadi pada inti atom
Reaksi berantai nuklir adalah proses yang terjadi ketika partikel dasar atau inti bertabrakan dengan inti lainnya. Mengapa "rantai"? Ini adalah serangkaian reaksi nuklir tunggal yang berurutan. Sebagai hasil dari proses ini, perubahan keadaan kuantum dan komposisi nukleon dari inti asli terjadi, bahkan partikel baru muncul - produk reaksi. Reaksi berantai nuklir, yang fisikanya memungkinkan seseorang untuk mempelajari mekanisme interaksi inti dengan inti dan dengan partikel, adalah metode utama untuk memperoleh elemen dan isotop baru. Untuk memahami aliran reaksi berantai, pertama-tama kita harus berurusan dengan yang tunggal.
Apa yang dibutuhkan untuk reaksi
Untuk melakukan proses seperti reaksi berantai nuklir, perlu untuk membawa partikel (nukleus dan nukleon, dua inti) lebih dekat pada jarak radius interaksi yang kuat (sekitar satu fermi). Jika jaraknya besar, maka interaksi partikel bermuatan akan murni Coulomb. Dalam reaksi nuklir, semua hukum diamati: kekekalan energi, momentum, momentum, muatan baryon. Reaksi berantai nuklir dilambangkan dengan himpunan simbol a, b, c, d. Simbol a menunjukkan inti asli, b partikel masuk, c partikel baru keluar, dan d inti hasil.
Energi reaksi
Reaksi berantai nuklir dapat berlangsung baik dengan penyerapan maupun pelepasan energi, yang sama dengan perbedaan massa partikel setelah reaksi dan sebelum reaksi. Energi yang diserap menentukan energi kinetik minimum tumbukan,ambang yang disebut reaksi nuklir, di mana ia dapat dengan bebas melanjutkan. Ambang batas ini tergantung pada partikel yang terlibat dalam interaksi dan karakteristiknya. Pada tahap awal, semua partikel berada dalam keadaan kuantum yang telah ditentukan.
Implementasi reaksi
Sumber utama partikel bermuatan yang membombardir inti adalah akselerator partikel, yang menghasilkan berkas proton, ion berat, dan inti ringan. Neutron lambat diperoleh melalui penggunaan reaktor nuklir. Untuk memperbaiki partikel bermuatan insiden, berbagai jenis reaksi nuklir, baik fusi dan peluruhan, dapat digunakan. Probabilitas mereka tergantung pada parameter partikel yang bertabrakan. Probabilitas ini dikaitkan dengan karakteristik seperti penampang reaksi - nilai area efektif, yang mencirikan nukleus sebagai target partikel yang datang dan yang merupakan ukuran probabilitas bahwa partikel dan nukleus akan berinteraksi. Jika partikel dengan putaran bukan nol ikut serta dalam reaksi, maka penampang secara langsung bergantung pada orientasinya. Karena putaran partikel yang datang tidak sepenuhnya berorientasi acak, tetapi kurang lebih teratur, semua sel darah akan terpolarisasi. Karakteristik kuantitatif dari putaran berkas berorientasi dijelaskan oleh vektor polarisasi.
Mekanisme reaksi
Apa itu reaksi berantai nuklir? Seperti yang telah disebutkan, ini adalah urutan reaksi yang lebih sederhana. Karakteristik partikel datang dan interaksinya dengan nukleus bergantung pada massa, muatan,energi kinetik. Interaksi ditentukan oleh derajat kebebasan inti, yang tereksitasi selama tumbukan. Mengontrol semua mekanisme ini memungkinkan proses seperti reaksi berantai nuklir terkontrol.
Reaksi langsung
Jika partikel bermuatan yang mengenai inti target hanya menyentuhnya, maka lama tumbukan akan sama dengan jarak yang diperlukan untuk mengatasi jarak jari-jari inti. Reaksi nuklir semacam itu disebut reaksi langsung. Karakteristik umum untuk semua reaksi jenis ini adalah eksitasi sejumlah kecil derajat kebebasan. Dalam proses seperti itu, setelah tumbukan pertama, partikel masih memiliki energi yang cukup untuk mengatasi gaya tarik nuklir. Misalnya interaksi seperti hamburan inelastis neutron, pertukaran muatan, dan merujuk langsung. Kontribusi dari proses tersebut untuk karakteristik yang disebut "total penampang" cukup diabaikan. Namun, distribusi produk dari reaksi nuklir langsung memungkinkan untuk menentukan kemungkinan lepas dari sudut arah berkas, bilangan kuantum, selektivitas keadaan berpenduduk, dan menentukan strukturnya.
Emisi pra-keseimbangan
Jika partikel tidak meninggalkan daerah interaksi nuklir setelah tumbukan pertama, maka partikel tersebut akan terlibat dalam serangkaian tumbukan yang berurutan. Ini sebenarnya hanya apa yang disebut reaksi berantai nuklir. Sebagai hasil dari situasi ini, energi kinetik partikel didistribusikan di antarabagian penyusun nukleus. Keadaan nukleus itu sendiri secara bertahap akan menjadi jauh lebih rumit. Selama proses ini, nukleon tertentu atau seluruh cluster (sekelompok nukleon) dapat memusatkan energi yang cukup untuk emisi nukleon ini dari nukleus. Relaksasi lebih lanjut akan mengarah pada pembentukan keseimbangan statistik dan pembentukan inti senyawa.
Reaksi berantai
Apa itu reaksi berantai nuklir? Ini adalah urutan bagian-bagian penyusunnya. Artinya, beberapa reaksi nuklir tunggal berturut-turut yang disebabkan oleh partikel bermuatan muncul sebagai produk reaksi pada langkah sebelumnya. Apa itu reaksi berantai nuklir? Misalnya, fisi inti berat, ketika beberapa peristiwa fisi dimulai oleh neutron yang diperoleh selama peluruhan sebelumnya.
Fitur reaksi berantai nuklir
Di antara semua reaksi kimia, reaksi berantai banyak digunakan. Partikel dengan ikatan yang tidak terpakai memainkan peran atom bebas atau radikal. Dalam proses seperti reaksi berantai nuklir, mekanisme kemunculannya disediakan oleh neutron, yang tidak memiliki penghalang Coulomb dan mengeksitasi nukleus saat diserap. Jika partikel yang diperlukan muncul di medium, maka itu menyebabkan rantai transformasi berikutnya yang akan berlanjut hingga rantai putus karena hilangnya partikel pembawa.
Mengapa operator hilang
Hanya ada dua alasan untuk hilangnya partikel pembawa dari rantai reaksi yang berkelanjutan. Yang pertama adalah penyerapan partikel tanpa proses emisisekunder. Yang kedua adalah kepergian partikel melampaui batas volume zat yang mendukung proses rantai.
Dua jenis proses
Jika hanya satu partikel pembawa yang lahir pada setiap periode reaksi berantai, maka proses ini dapat disebut tidak bercabang. Itu tidak dapat menyebabkan pelepasan energi dalam skala besar. Jika ada banyak partikel pembawa, maka ini disebut reaksi bercabang. Apa yang dimaksud dengan reaksi berantai nuklir dengan percabangan? Salah satu partikel sekunder yang diperoleh pada tindakan sebelumnya akan melanjutkan rantai yang dimulai sebelumnya, sementara yang lain akan menciptakan reaksi baru yang juga akan bercabang. Proses ini akan bersaing dengan proses yang mengarah ke break. Situasi yang dihasilkan akan memunculkan fenomena kritis dan pembatas tertentu. Misalnya, jika ada lebih banyak pemutusan daripada rantai yang benar-benar baru, maka reaksi mandiri tidak mungkin terjadi. Bahkan jika tereksitasi secara artifisial dengan memasukkan jumlah partikel yang dibutuhkan ke dalam media tertentu, prosesnya akan tetap meluruh seiring waktu (biasanya agak cepat). Jika jumlah rantai baru melebihi jumlah pemutusan, maka reaksi berantai nuklir akan mulai menyebar ke seluruh zat.
Kondisi kritis
Keadaan kritis memisahkan area keadaan materi dengan reaksi berantai mandiri yang berkembang, dan area di mana reaksi ini tidak mungkin sama sekali. Parameter ini dicirikan oleh kesetaraan antara jumlah sirkuit baru dan jumlah kemungkinan pemutusan. Seperti adanya partikel pembawa bebas, titik kritisnegara adalah item utama dalam daftar seperti "kondisi untuk pelaksanaan reaksi berantai nuklir." Pencapaian keadaan ini dapat ditentukan oleh sejumlah faktor yang memungkinkan. Fisi inti unsur berat dieksitasi hanya oleh satu neutron. Sebagai hasil dari proses seperti reaksi berantai fisi nuklir, lebih banyak neutron yang dihasilkan. Oleh karena itu, proses ini dapat menghasilkan reaksi bercabang, di mana neutron akan bertindak sebagai pembawa. Dalam kasus ketika laju penangkapan neutron tanpa pembelahan atau pelepasan (laju kehilangan) dikompensasikan dengan laju penggandaan partikel pembawa, maka reaksi berantai akan berlangsung dalam mode stasioner. Kesetaraan ini mencirikan faktor perkalian. Dalam kasus di atas, itu sama dengan satu. Dalam tenaga nuklir, karena pengenalan umpan balik negatif antara laju pelepasan energi dan faktor perkalian, dimungkinkan untuk mengontrol jalannya reaksi nuklir. Jika koefisien ini lebih besar dari satu, maka reaksi akan berkembang secara eksponensial. Reaksi berantai yang tidak terkendali digunakan dalam senjata nuklir.
Reaksi berantai nuklir dalam energi
Reaktivitas reaktor ditentukan oleh sejumlah besar proses yang terjadi di intinya. Semua pengaruh ini ditentukan oleh apa yang disebut koefisien reaktivitas. Pengaruh perubahan suhu batang grafit, pendingin atau uranium pada reaktivitas reaktor dan intensitas proses seperti reaksi berantai nuklir dicirikan oleh koefisien suhu (untuk pendingin, untuk uranium, untuk grafit). Ada juga karakteristik dependen dalam hal daya, dalam hal indikator barometrik, dalam hal indikator uap. Untuk mempertahankan reaksi nuklir dalam reaktor, perlu untuk mengubah beberapa elemen menjadi elemen lain. Untuk melakukan ini, perlu mempertimbangkan kondisi untuk aliran reaksi berantai nuklir - keberadaan zat yang mampu membagi dan melepaskan dari dirinya sendiri selama peluruhan sejumlah partikel elementer, yang, sebagai akibatnya, akan menyebabkan pembelahan inti yang tersisa. Sebagai zat seperti itu, uranium-238, uranium-235, plutonium-239 sering digunakan. Selama berlangsungnya reaksi berantai nuklir, isotop unsur-unsur ini akan meluruh dan membentuk dua atau lebih bahan kimia lainnya. Dalam proses ini, apa yang disebut sinar "gamma" dipancarkan, pelepasan energi yang intens terjadi, dua atau tiga neutron terbentuk, yang mampu melanjutkan aksi reaksi. Ada neutron lambat dan cepat, karena agar inti atom hancur, partikel-partikel ini harus terbang dengan kecepatan tertentu.
