La théorie de la relativité dit que la masse est une forme spéciale d'énergie. Il s'ensuit qu'il est possible de convertir la masse en énergie et l'énergie en masse. Au niveau intraatomique, de telles réactions ont lieu. En particulier, une partie de la masse du noyau atomique lui-même pourrait bien se transformer en énergie. Cela se produit de plusieurs manières. Premièrement, le noyau peut se désintégrer en un certain nombre de noyaux plus petits, cette réaction est appelée "désintégration". Deuxièmement, des noyaux plus petits peuvent facilement se combiner pour en former un plus grand - c'est une réaction de fusion. Dans l'univers, de telles réactions sont très courantes. Qu'il suffise de dire que la réaction de fusion est la source d'énergie des étoiles. Mais la réaction de désintégration est utilisée par l'humanité dans les réacteurs nucléaires, car les gens ont appris à contrôler ces processus complexes. Mais qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? Comment le gérer ?
Ce qui se passe dans le noyau d'un atome
Une réaction nucléaire en chaîne est un processus qui se produit lorsque des particules élémentaires ou des noyaux entrent en collision avec d'autres noyaux. Pourquoi "chaîner" ? Il s'agit d'un ensemble de réactions nucléaires simples successives. À la suite de ce processus, un changement dans l'état quantique et la composition du nucléon du noyau d'origine se produit, même de nouvelles particules apparaissent - des produits de réaction. La réaction nucléaire en chaîne, dont la physique permet d'étudier les mécanismes d'interaction des noyaux avec les noyaux et avec les particules, est la principale méthode d'obtention de nouveaux éléments et isotopes. Afin de comprendre le déroulement d'une réaction en chaîne, il faut d'abord s'occuper des réactions individuelles.
Ce qui est nécessaire pour la réaction
Pour mener à bien un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne, il est nécessaire de rapprocher les particules (un noyau et un nucléon, deux noyaux) à une distance du rayon d'interaction forte (environ un fermi). Si les distances sont grandes, alors l'interaction des particules chargées sera purement coulombienne. Dans une réaction nucléaire, toutes les lois sont respectées: conservation de l'énergie, quantité de mouvement, quantité de mouvement, charge du baryon. Une réaction nucléaire en chaîne est désignée par le jeu de symboles a, b, c, d. Le symbole a désigne le noyau d'origine, b la particule entrante, c la nouvelle particule sortante et d le noyau résultant.
Énergie de réaction
Une réaction nucléaire en chaîne peut avoir lieu à la fois avec absorption et avec libération d'énergie, qui est égale à la différence de masse des particules après la réaction et avant celle-ci. L'énergie absorbée détermine l'énergie cinétique minimale de la collision,le soi-disant seuil d'une réaction nucléaire, à partir duquel elle peut se dérouler librement. Ce seuil dépend des particules impliquées dans l'interaction et de leurs caractéristiques. Au stade initial, toutes les particules sont dans un état quantique prédéterminé.
Implémentation de la réaction
La principale source de particules chargées qui bombardent le noyau est l'accélérateur de particules, qui produit des faisceaux de protons, d'ions lourds et de noyaux légers. Les neutrons lents sont obtenus grâce à l'utilisation de réacteurs nucléaires. Pour fixer les particules chargées incidentes, différents types de réactions nucléaires, à la fois de fusion et de désintégration, peuvent être utilisés. Leur probabilité dépend des paramètres des particules qui entrent en collision. Cette probabilité est associée à une caractéristique telle que la section efficace de réaction - la valeur de la surface effective, qui caractérise le noyau en tant que cible pour les particules incidentes et qui est une mesure de la probabilité que la particule et le noyau entrent en interaction. Si des particules de spin non nul participent à la réaction, la section efficace dépend directement de leur orientation. Puisque les spins des particules incidentes ne sont pas complètement orientés au hasard, mais plus ou moins ordonnés, tous les corpuscules seront polarisés. La caractéristique quantitative des spins du faisceau orienté est décrite par le vecteur de polarisation.
Mécanisme de réaction
Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? Comme déjà mentionné, il s'agit d'une séquence de réactions plus simples. Les caractéristiques de la particule incidente et son interaction avec le noyau dépendent de la masse, de la charge,énergie cinétique. L'interaction est déterminée par le degré de liberté des noyaux qui sont excités lors de la collision. La maîtrise de tous ces mécanismes permet un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne contrôlée.
Réactions directes
Si une particule chargée qui frappe le noyau cible ne fait que le toucher, alors la durée de la collision sera égale à la distance nécessaire pour surmonter la distance du rayon du noyau. Une telle réaction nucléaire est appelée réaction directe. Une caractéristique commune à toutes les réactions de ce type est l'excitation d'un petit nombre de degrés de liberté. Dans un tel processus, après la première collision, la particule a encore assez d'énergie pour vaincre l'attraction nucléaire. Par exemple, des interactions telles que la diffusion inélastique des neutrons, l'échange de charge et se réfèrent à direct. La contribution de tels processus à la caractéristique appelée "section efficace totale" est tout à fait négligeable. Cependant, la distribution des produits du passage d'une réaction nucléaire directe permet de déterminer la probabilité d'échappement de l'angle de direction du faisceau, les nombres quantiques, la sélectivité des états peuplés et de déterminer leur structure.
Émission de pré-équilibre
Si la particule ne quitte pas la région d'interaction nucléaire après la première collision, alors elle sera impliquée dans toute une cascade de collisions successives. C'est en fait ce qu'on appelle une réaction nucléaire en chaîne. En conséquence de cette situation, l'énergie cinétique de la particule est répartie entreparties constituantes du noyau. L'état du noyau lui-même deviendra progressivement beaucoup plus compliqué. Au cours de ce processus, un certain nucléon ou un amas entier (un groupe de nucléons) peut concentrer une énergie suffisante pour l'émission de ce nucléon à partir du noyau. Une relaxation supplémentaire conduira à la formation d'un équilibre statistique et à la formation d'un noyau composé.
Réactions en chaîne
Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? C'est la séquence de ses éléments constitutifs. C'est-à-dire que plusieurs réactions nucléaires uniques successives provoquées par des particules chargées apparaissent comme des produits de réaction dans les étapes précédentes. Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? Par exemple, la fission de noyaux lourds, lorsque plusieurs événements de fission sont initiés par des neutrons obtenus lors de désintégrations précédentes.
Caractéristiques d'une réaction nucléaire en chaîne
Parmi toutes les réactions chimiques, les réactions en chaîne sont largement utilisées. Les particules avec des liaisons inutilisées jouent le rôle d'atomes libres ou de radicaux. Dans un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne, le mécanisme de son apparition est fourni par les neutrons, qui n'ont pas de barrière de Coulomb et excitent le noyau lors de l'absorption. Si la particule nécessaire apparaît dans le milieu, cela provoque une chaîne de transformations ultérieures qui se poursuivra jusqu'à ce que la chaîne se brise en raison de la perte de la particule porteuse.
Pourquoi le transporteur est perdu
Il n'y a que deux raisons à la perte de la particule porteuse d'une chaîne continue de réactions. Le premier est l'absorption de la particule sans le processus d'émissionsecondaire. La seconde est le départ de la particule au-delà de la limite du volume de la substance qui supporte le processus en chaîne.
Deux types de processus
Si une seule particule porteuse naît à chaque période de la réaction en chaîne, alors ce processus peut être qualifié de non ramifié. Il ne peut pas conduire à la libération d'énergie à grande échelle. S'il y a beaucoup de particules porteuses, cela s'appelle une réaction ramifiée. Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne avec ramification ? L'une des particules secondaires obtenues dans l'acte précédent continuera la chaîne commencée plus tôt, tandis que les autres créeront de nouvelles réactions qui se ramifieront également. Ce processus entrera en concurrence avec les processus menant à la rupture. La situation qui en résulte donnera lieu à des phénomènes spécifiques critiques et limitants. Par exemple, s'il y a plus de ruptures que de chaînes purement nouvelles, l'auto-entretien de la réaction sera impossible. Même s'il est excité artificiellement en introduisant le nombre requis de particules dans un milieu donné, le processus se dégradera toujours avec le temps (généralement assez rapidement). Si le nombre de nouvelles chaînes dépasse le nombre de ruptures, une réaction nucléaire en chaîne commencera à se propager dans toute la substance.
État critique
L'état critique sépare la zone de l'état de la matière avec une réaction en chaîne auto-entretenue développée, et la zone où cette réaction est impossible du tout. Ce paramètre est caractérisé par l'égalité entre le nombre de nouveaux circuits et le nombre de coupures possibles. Comme la présence d'une particule porteuse libre, la critiquel'état est le principal élément d'une liste telle que "les conditions de mise en œuvre d'une réaction nucléaire en chaîne". La réalisation de cet état peut être déterminée par un certain nombre de facteurs possibles. La fission du noyau d'un élément lourd est excitée par un seul neutron. À la suite d'un processus tel qu'une réaction en chaîne de fission nucléaire, davantage de neutrons sont produits. Par conséquent, ce processus peut produire une réaction ramifiée, où les neutrons agiront comme porteurs. Dans le cas où le taux de capture de neutrons sans fission ni échappement (taux de perte) est compensé par le taux de multiplication des particules porteuses, alors la réaction en chaîne se déroulera en mode stationnaire. Cette égalité caractérise le facteur de multiplication. Dans le cas ci-dessus, il est égal à un. Dans l'énergie nucléaire, grâce à l'introduction d'une rétroaction négative entre le taux de libération d'énergie et le facteur de multiplication, il est possible de contrôler le déroulement d'une réaction nucléaire. Si ce coefficient est supérieur à un, la réaction se développera de manière exponentielle. Des réactions en chaîne incontrôlées sont utilisées dans les armes nucléaires.
Réaction nucléaire en chaîne dans l'énergie
La réactivité d'un réacteur est déterminée par un grand nombre de processus qui se produisent dans son cœur. Toutes ces influences sont déterminées par ce qu'on appelle le coefficient de réactivité. L'effet des changements de température des barres de graphite, des caloporteurs ou de l'uranium sur la réactivité du réacteur et l'intensité d'un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne sont caractérisés par un coefficient de température (pour le caloporteur, pour l'uranium, pour le graphite). Il existe également des caractéristiques dépendantes en termes de puissance, en termes d'indicateurs barométriques, en termes d'indicateurs de vapeur. Pour entretenir une réaction nucléaire dans un réacteur, il est nécessaire de convertir certains éléments en d'autres. Pour ce faire, il est nécessaire de prendre en compte les conditions d'écoulement d'une réaction nucléaire en chaîne - la présence d'une substance capable de se diviser et de libérer d'elle-même lors de la désintégration un certain nombre de particules élémentaires, qui, par conséquent, provoquera la fission des noyaux restants. En tant que telle substance, l'uranium-238, l'uranium-235, le plutonium-239 sont souvent utilisés. Lors du passage d'une réaction nucléaire en chaîne, les isotopes de ces éléments se désintègrent et forment deux ou plusieurs autres produits chimiques. Dans ce processus, les rayons dits "gamma" sont émis, une intense libération d'énergie se produit, deux ou trois neutrons se forment, capables de poursuivre les actes de réaction. Il existe des neutrons lents et des neutrons rapides, car pour que le noyau d'un atome se désintègre, ces particules doivent voler à une certaine vitesse.
