ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกว่ามวลเป็นพลังงานรูปแบบพิเศษ ต่อมาสามารถเปลี่ยนมวลเป็นพลังงานและพลังงานเป็นมวลได้ ในระดับอะตอม ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งมวลบางส่วนของนิวเคลียสของอะตอมเองอาจเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้หลายวิธี อย่างแรก นิวเคลียสสามารถสลายตัวเป็นนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กกว่าจำนวนหนึ่ง ปฏิกิริยานี้เรียกว่า "การสลายตัว" ประการที่สอง นิวเคลียสที่เล็กกว่าสามารถรวมกันเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างง่ายดาย - นี่คือปฏิกิริยาฟิวชัน ในจักรวาล ปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นเรื่องธรรมดามาก พอจะพูดได้ว่าปฏิกิริยาฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานของดาวฤกษ์ แต่มนุษย์ใช้ปฏิกิริยาการสลายตัวในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เนื่องจากผู้คนได้เรียนรู้ที่จะควบคุมกระบวนการที่ซับซ้อนเหล่านี้ แต่ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร? วิธีจัดการ
เกิดอะไรขึ้นในนิวเคลียสของอะตอม
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมูลฐานหรือนิวเคลียสชนกับนิวเคลียสอื่น ทำไมต้อง "โซ่"? นี่คือชุดของปฏิกิริยานิวเคลียร์เดี่ยวที่ต่อเนื่องกัน อันเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ การเปลี่ยนแปลงในสถานะควอนตัมและองค์ประกอบนิวคลีออนของนิวเคลียสเดิมเกิดขึ้น แม้แต่อนุภาคใหม่ก็ปรากฏขึ้น - ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ซึ่งฟิสิกส์อนุญาตให้ศึกษากลไกการทำงานร่วมกันของนิวเคลียสกับนิวเคลียสและอนุภาค เป็นวิธีการหลักในการรับองค์ประกอบและไอโซโทปใหม่ เพื่อให้เข้าใจการไหลของปฏิกิริยาลูกโซ่ อันดับแรกต้องจัดการกับปฏิกิริยาเดี่ยว
สิ่งที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา
เพื่อดำเนินการตามกระบวนการเช่นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ จำเป็นต้องนำอนุภาค (นิวเคลียสและนิวคลีออน นิวเคลียสสองนิวเคลียส) เข้ามาใกล้กันที่ระยะห่างของรัศมีปฏิกิริยารุนแรง (ประมาณหนึ่งแฟร์มี). หากระยะทางมีมาก ปฏิกิริยาของอนุภาคที่มีประจุจะเป็นคูลอมบ์ล้วนๆ ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีการปฏิบัติตามกฎทั้งหมด: การอนุรักษ์พลังงาน โมเมนตัม โมเมนตัม ประจุแบริออน ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แสดงด้วยสัญลักษณ์ชุด a, b, c, d สัญลักษณ์ a หมายถึงนิวเคลียสเดิม b อนุภาคที่เข้ามา c อนุภาคขาออกใหม่และ d นิวเคลียสที่เป็นผลลัพธ์
พลังงานปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เกิดขึ้นได้ทั้งจากการดูดกลืนและการปล่อยพลังงาน ซึ่งเท่ากับความแตกต่างของมวลของอนุภาคหลังปฏิกิริยาและก่อนหน้านั้น พลังงานที่ดูดซับจะกำหนดพลังงานจลน์ขั้นต่ำของการชนธรณีประตูที่เรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งสามารถดำเนินการได้อย่างอิสระ เกณฑ์นี้ขึ้นอยู่กับอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์และลักษณะเฉพาะ ในระยะเริ่มต้น อนุภาคทั้งหมดอยู่ในสถานะควอนตัมที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
การใช้ปฏิกิริยา
แหล่งกำเนิดอนุภาคประจุหลักที่พุ่งชนนิวเคลียสคือเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งผลิตลำโปรตอน ไอออนหนัก และนิวเคลียสเบา นิวตรอนช้าได้มาจากการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในการแก้ไขอนุภาคที่มีประจุตกกระทบ สามารถใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเภทต่างๆ ทั้งการหลอมรวมและการสลายตัวได้ ความน่าจะเป็นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของอนุภาคที่ชนกัน ความน่าจะเป็นนี้สัมพันธ์กับลักษณะเฉพาะอย่างเช่น ส่วนตัดขวางของปฏิกิริยา - ค่าของพื้นที่มีผล ซึ่งกำหนดลักษณะของนิวเคลียสเป็นเป้าหมายสำหรับอนุภาคตกกระทบ และเป็นการวัดความน่าจะเป็นที่อนุภาคและนิวเคลียสจะเข้าสู่ปฏิสัมพันธ์ หากอนุภาคที่มีการหมุนไม่เป็นศูนย์มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา ส่วนตัดขวางจะขึ้นอยู่กับการวางแนวของอนุภาคนั้นโดยตรง เนื่องจากการหมุนของอนุภาคตกกระทบไม่ได้ถูกจัดวางแบบสุ่มอย่างสมบูรณ์ แต่มีลำดับไม่มากก็น้อย corpuscle ทั้งหมดจะถูกโพลาไรซ์ ลักษณะเชิงปริมาณของการหมุนของลำแสงในแนวนั้นอธิบายโดยเวกเตอร์โพลาไรซ์
กลไกการเกิดปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร? ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว นี่เป็นลำดับของปฏิกิริยาที่ง่ายกว่า ลักษณะของอนุภาคตกกระทบและปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสขึ้นอยู่กับมวล ประจุพลังงานจลน์. ปฏิสัมพันธ์ถูกกำหนดโดยระดับความอิสระของนิวเคลียสซึ่งตื่นเต้นระหว่างการชน การควบคุมกลไกเหล่านี้ทั้งหมดทำให้เกิดกระบวนการ เช่น ควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
ปฏิกิริยาโดยตรง
หากอนุภาคที่มีประจุซึ่งกระทบกับนิวเคลียสเป้าหมายเพียงสัมผัสกัน ระยะเวลาของการชนจะเท่ากับระยะทางที่จำเป็นในการเอาชนะระยะห่างของรัศมีของนิวเคลียส ปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยาโดยตรง ลักษณะทั่วไปสำหรับปฏิกิริยาทุกประเภทนี้คือการกระตุ้นระดับอิสระจำนวนเล็กน้อย ในกระบวนการดังกล่าว หลังจากการชนครั้งแรก อนุภาคยังคงมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของนิวเคลียร์ ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาเช่นการกระจายนิวตรอนแบบไม่ยืดหยุ่น การแลกเปลี่ยนประจุ และการอ้างอิงโดยตรง การมีส่วนร่วมของกระบวนการดังกล่าวต่อคุณลักษณะที่เรียกว่า "ส่วนตัดขวางทั้งหมด" นั้นเล็กน้อยมาก อย่างไรก็ตาม การกระจายผลิตภัณฑ์ของทางเดินของปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยตรงทำให้สามารถกำหนดความน่าจะเป็นที่จะหลบหนีจากมุมทิศทางของลำแสง ตัวเลขควอนตัม การเลือกของรัฐที่มีประชากร และกำหนดโครงสร้างได้
ปล่อยก่อนสมดุล
หากอนุภาคไม่ออกจากบริเวณที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์หลังจากการชนกันครั้งแรก มันก็จะมีส่วนเกี่ยวข้องกับการชนกันต่อเนื่องกันทั้งหมด นี่เป็นเพียงสิ่งที่เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เท่านั้น จากสถานการณ์ดังกล่าว พลังงานจลน์ของอนุภาคจึงถูกกระจายไปยังส่วนที่เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียส สถานะของนิวเคลียสเองจะค่อยๆ ซับซ้อนขึ้นมาก ในระหว่างกระบวนการนี้ นิวคลีออนบางตัวหรือคลัสเตอร์ทั้งหมด (กลุ่มของนิวคลีออน) สามารถรวมพลังงานที่เพียงพอสำหรับการปล่อยนิวคลีออนนี้ออกจากนิวเคลียส การผ่อนคลายเพิ่มเติมจะนำไปสู่การก่อตัวของสมดุลทางสถิติและการก่อตัวของนิวเคลียสของสารประกอบ
ปฏิกิริยาลูกโซ่
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร? นี่คือลำดับของส่วนประกอบต่างๆ นั่นคือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์เดี่ยวที่ต่อเนื่องกันหลายครั้งที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุจะปรากฏเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาในขั้นตอนก่อนหน้า ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร? ตัวอย่างเช่น การเกิดฟิชชันของนิวเคลียสหนัก เมื่อเกิดเหตุการณ์ฟิชชันหลายครั้งโดยนิวตรอนที่ได้รับในระหว่างการสลายครั้งก่อน
คุณสมบัติของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
ในบรรดาปฏิกิริยาเคมีทั้งหมด ปฏิกิริยาลูกโซ่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย อนุภาคที่มีพันธะที่ไม่ได้ใช้จะทำหน้าที่เป็นอะตอมอิสระหรืออนุมูลอิสระ ในกระบวนการ เช่น ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ กลไกการเกิดขึ้นของมันถูกจัดเตรียมโดยนิวตรอน ซึ่งไม่มีสิ่งกีดขวางคูลอมบ์และกระตุ้นนิวเคลียสเมื่อดูดกลืน หากอนุภาคที่จำเป็นปรากฏขึ้นในตัวกลาง ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นลูกโซ่ต่อไปซึ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าห่วงโซ่จะขาดเนื่องจากการสูญเสียอนุภาคพาหะ
ทำไมสายการบินถึงหายไป
มีเพียงสองเหตุผลสำหรับการสูญเสียอนุภาคพาหะของปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่อง ประการแรกคือการดูดซับอนุภาคโดยไม่มีกระบวนการปล่อยออกรอง ประการที่สองคือการออกจากอนุภาคเกินขีด จำกัด ของปริมาตรของสารที่รองรับกระบวนการลูกโซ่
กระบวนการสองประเภท
หากเกิดอนุภาคพาหะเพียงตัวเดียวในแต่ละช่วงเวลาของปฏิกิริยาลูกโซ่ กระบวนการนี้เรียกว่าไม่แตกแขนง ไม่สามารถนำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานในวงกว้างได้ หากมีอนุภาคพาหะจำนวนมาก ปฏิกิริยานี้เรียกว่าปฏิกิริยาแตกแขนง ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์กับการแตกแขนงคืออะไร? อนุภาคทุติยภูมิตัวหนึ่งที่ได้รับในการกระทำครั้งก่อนจะดำเนินต่อไปในห่วงโซ่ที่เริ่มต้นก่อนหน้านี้ ในขณะที่อนุภาคอื่นๆ จะสร้างปฏิกิริยาใหม่ที่จะแตกแขนงออกไปด้วย กระบวนการนี้จะแข่งขันกับกระบวนการที่นำไปสู่การแตกหัก สถานการณ์ที่เป็นผลจะก่อให้เกิดปรากฏการณ์วิกฤตและจำกัดเฉพาะ ตัวอย่างเช่น หากมีการแตกหักมากกว่าโซ่ใหม่หมดจด ปฏิกิริยาที่ค้ำจุนตนเองจะเป็นไปไม่ได้ แม้ว่าจะกระตุ้นโดยการใส่จำนวนอนุภาคที่ต้องการลงในสื่อที่กำหนดก็ตาม กระบวนการจะยังคงสลายไปตามกาลเวลา (โดยปกติจะค่อนข้างเร็ว) หากจำนวนโซ่ใหม่เกินจำนวนครั้ง ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ก็จะเริ่มแพร่กระจายไปทั่วสาร
เงื่อนไขวิกฤติ
สภาวะวิกฤตแยกพื้นที่ของสถานะของสสารด้วยปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนในตัวเอง และพื้นที่ที่ปฏิกิริยานี้เป็นไปไม่ได้เลย พารามิเตอร์นี้มีลักษณะเท่าเทียมกันระหว่างจำนวนวงจรใหม่กับจำนวนตัวแบ่งที่เป็นไปได้ เช่นเดียวกับการมีอยู่ของอนุภาคพาหะอิสระ วิกฤตรัฐเป็นรายการหลักในรายการเช่น "เงื่อนไขสำหรับการดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์" ความสำเร็จของสถานะนี้สามารถกำหนดได้จากปัจจัยที่เป็นไปได้หลายประการ การแตกตัวของนิวเคลียสของธาตุหนักนั้นตื่นเต้นด้วยนิวตรอนเพียงตัวเดียว อันเป็นผลมาจากกระบวนการ เช่น ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชัน ทำให้มีการผลิตนิวตรอนเพิ่มขึ้น ดังนั้น กระบวนการนี้จึงทำให้เกิดปฏิกิริยาแตกแขนง ซึ่งนิวตรอนจะทำหน้าที่เป็นตัวพา ในกรณีที่อัตราการจับนิวตรอนโดยไม่มีการแตกตัวหรือการหลบหนี (อัตราการสูญเสีย) ได้รับการชดเชยด้วยอัตราการคูณของอนุภาคพาหะ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะดำเนินการในโหมดคงที่ ความเท่าเทียมกันนี้แสดงถึงปัจจัยการคูณ ในกรณีข้างต้น จะเท่ากับหนึ่ง ในพลังงานนิวเคลียร์ เนื่องจากการป้อนกลับเชิงลบระหว่างอัตราการปลดปล่อยพลังงานและปัจจัยการคูณ จึงเป็นไปได้ที่จะควบคุมวิถีของปฏิกิริยานิวเคลียร์ ถ้าสัมประสิทธิ์นี้มากกว่า 1 ปฏิกิริยาจะพัฒนาแบบทวีคูณ ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่สามารถควบคุมได้ถูกใช้ในอาวุธนิวเคลียร์
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในพลังงาน
ปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์ถูกกำหนดโดยกระบวนการจำนวนมากที่เกิดขึ้นในแกนของมัน อิทธิพลทั้งหมดเหล่านี้ถูกกำหนดโดยสัมประสิทธิ์การเกิดปฏิกิริยาที่เรียกว่า ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแท่งกราไฟท์ สารหล่อเย็น หรือยูเรเนียมต่อการเกิดปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์และความเข้มของกระบวนการเช่นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์นั้นมีลักษณะเฉพาะโดยสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (สำหรับสารหล่อเย็น สำหรับยูเรเนียม สำหรับกราไฟต์)นอกจากนี้ยังมีคุณลักษณะที่ขึ้นต่อกันในแง่ของกำลัง ในแง่ของตัวบ่งชี้ความกดอากาศ ในแง่ของตัวบ่งชี้ไอน้ำ เพื่อรักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ จำเป็นต้องแปลงองค์ประกอบบางอย่างเป็นองค์ประกอบอื่น ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องคำนึงถึงเงื่อนไขสำหรับการไหลของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ - การปรากฏตัวของสารที่สามารถแบ่งและปลดปล่อยอนุภาคมูลฐานจำนวนหนึ่งออกจากตัวเองในระหว่างการสลายตัวซึ่งเป็นผลมาจาก จะทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสที่เหลืออยู่ สารดังกล่าวมักใช้ยูเรเนียม -238 ยูเรเนียม -235 พลูโทเนียม -239 ในระหว่างการผ่านของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ไอโซโทปของธาตุเหล่านี้จะสลายตัวและก่อตัวเป็นสารเคมีอื่นๆ สองชนิดหรือมากกว่า ในขั้นตอนนี้จะมีการปล่อยรังสีที่เรียกว่า "แกมมา" การปล่อยพลังงานที่รุนแรงเกิดขึ้นสองสามนิวตรอนก่อตัวขึ้นซึ่งสามารถดำเนินการปฏิกิริยาต่อไปได้ มีนิวตรอนที่ช้าและเร็ว เพราะเพื่อให้นิวเคลียสของอะตอมสลายตัว อนุภาคเหล่านี้จะต้องบินด้วยความเร็วที่แน่นอน