Branduolinės reakcijos — apibrėžimas, sintezė, skilimas ir panaudojimas

Branduolinės reakcijos: aiškus apibrėžimas, sintezė, skilimas ir panaudojimas — nuo Saulės procesų iki atominių elektrinių ir ginklų. Sužinokite esmę, energetiką ir rizikas.

Branduolinė reakcija – tai procesas, kuriame dalyvauja atomo branduolys arba daugiau nei vienas branduolys. Branduolinėse reakcijose keičiami branduolio protonų arba neutronų skaičiai, dažnai išskiriama arba sugertama didelė energijos dalis ir gali atsirasti naujos dalelės.

1. Branduolių sintezė – reakcija, kurios metu susiduria dvi ar daugiau dalelių. Susiduria naujos dalelės, kurios skiriasi nuo pirmųjų.
2. Branduolio skilimas – branduolio skilimas į dalis.
3. Radioaktyvusis skilimas, kurio metu branduolys kažką išskiria, pasikeisdamas į kitos rūšies branduolį.

Trumpesnis paaiškinimas ir pagrindinės savybės

Radioaktyvumo atveju reakcija yra savaiminė — branduolys savaime suyra į kitokį branduolį, išskirdamas daleles arba elektromagnetinį spinduliavimą. Tuo tarpu sintezė ir skilimas gali būti inicijuojami išoriniu poveikiu (pvz., aukšta temperatūra, spinduliavimas arba neutronų bombardavimas) ir dažnai atliekami tikslingai tam, kad būtų išlaisvinta arba sugerta energija. Šią energiją galima panaudoti įvairiems tikslams: pavyzdžiui, garams gaminti (kaip atominėje elektrinėje), medicinoje radioizotopams gaminti ar moksliniuose eksperimentuose. Branduolinė energija taip pat gali būti panaudota karinėms paskirtims, pavyzdžiui, bomboms, tačiau tokių taikymų detales aptarinėti nerekomenduojama.

Sintezė (fuzija)

Branduolių sintezė vyksta tada, kai du lengvi branduoliai susijungia į sunkesnį. Tam reikia įveikti elektrostatinį atstūmimą tarp protonų (Coulombo barjerą), todėl sintezei būdingi labai aukšti temperatūros ir slėgio reikalavimai. Pavyzdžiai gamtoje – Saulės viduje vykstantis protonų–protonų ciklas ar CNO ciklas, kuriuose susidaro helis ir išsiskiria didelis energijos kiekis. Sintezė pasižymi dideliu energijos tankiu: masės skirtumas tarp pradinių ir galutinių produktų virsta energija pagal Einšteino lygtį E = mc².

Sintezės technologijos siekia saugios ir ekonomiškos energijos gamybos (reaktoriai, kuriuose bandoma pasiekti teigiamą energetinį balansą). Reikalingos sąlygos susidaro natūraliai žvaigždėse; Žemėje jas imituoti bandoma aukštos temperatūros termobranduolinėse kameroje (pvz., magnitinis arba inerciinis sulaikymas).

Skilimas (fisinės reakcijos)

Branduolio skilimas – tai sunkesnio branduolio dalijimasis į du ar daugiau lengvesnių fragmentų. Tokios reakcijos dažnai išskiria laisvus neutronus ir reikšmingą energijos kiekį. Fisinės grandininės reakcijos (kai išsiskyrę neutronai sukelia tolesnį skilimą) leidžia palaikyti pastovų energijos šaltinį, kaip branduoliniuose reaktoriuose, arba labai greitą ir nekontroliuojamą energijos išsiskyrimą, kaip ginkluose.

Reaktoriuose grandinę kontroliuoja įtaisai, pvz., neutronų sugėrėjai (kontrolinės strypai) ir moderatoriai, kurie sulėtina neutronus, kad padidėtų skilimo tikimybė. Tokiu būdu energija panaudojama šilumai, kuri gaminama į šilumokaičius ir per turbiną pavertinama elektrine.

Radioaktyvusis skilimas (dezintegacija)

Radioaktyvusis skilimas yra spontaniškas branduolio perėjimas į kitą būseną, kurio metu išskiriamos alfa dalelės, beta dalelės arba gama spinduliavimas. Kiekvienas radioaktyvus izotopas turi savo pusėjimo laiką — vidutinį laiką, per kurį pusė pradinio branduolių kiekio suyra. Radioaktyvusis skilimas yra atsitiktinis (statistinis) ir jį galima apibūdinti tik tikimybiškai; vieno atomo skilimo laiko negalima tiksliai prognozuoti.

Nors radioaktyvų skilimą iš esmės sustabdyti arba pagreitinti cheminėmis priemonėmis negalima, tam tikri specifiniai procesai (pvz., elektrono gaubties pokyčiai veikia elektroninio įkėlimo reakcijas) gali tik labai nežymiai paveikti kai kurių retų skilimo kanalų greitį. Praktikoje radiacinis skilimas laikomas nekontroliuojamu procesu.

Matematiniai ir fizikiniai principai

Branduolinės reakcijos atitinka energijos, krūvio, masės skaičiaus (branduolio masės skaičiaus A) ir protonų skaičiaus (Z) išsaugojimo dėsnius. Reakcijos energetinis efektas vadinamas Q-verte: teigiama Q reiškia, kad reakcija yra egzoterminė (išsiskiria energija), neigiama — endoterminė (reikia energijos įvesti). Eksperimentuose svarbus dydis yra reakcijos skerspjūvis, nurodantis tikimybę, kad du dujų dalelių susidūrimas sukels tam tikrą branduolinę reakciją.

Pavyzdys

Pavyzdyje pavaizduotame pavyzdyje ^6Li susijungia su deuteriu. Taip susidaro berilis, kuris vėliau skyla į dvi alfa daleles. Tokios reakcijos iliustruoja, kaip sintezės produktai gali būti nestabilūs ir toliau skleisti energiją ar daleles.

Kur vyksta branduolinės reakcijos?

Branduolinės reakcijos vyksta Saulėje ir kitose žvaigždėse (ten sintezė maitina žvaigždes), branduoliniuose reaktoriuose (valdoma fissione energijos gamyba), dalelių greitintuvuose (moksliniai eksperimentai ir izotopų gamyba) ir kosmose (kosminės spinduliuotės sąveikos). Išskyrus radioaktyvųjįskilimą, Žemėje natūraliai vyksta labai mažai branduolinių reakcijų – dauguma jų yra būdingos aukštai energijai arba specialioms įrangoms. Branduoliniuose reaktoriuose branduolinės reakcijos naudojamos šilumai ir elektrai gaminti; greitintuvuose atliekamos branduolinės reakcijos generuoja radioizotopus mokslui ir medicinai. Iš kosmoso atkeliavusios dalelės Žemės atmosferoje sukelia branduolines reakcijas, dėl kurių oras tampa šiek tiek radioaktyvus (kosminės spinduliuotės sukeliami procesai).

Praktiniai aspektai ir sauga

Branduolinės reakcijos turi nemažai privalumų (didelis energijos tankis, galimybė gauti radioizotopų medicinai), bet ir pavojų: jonizuojanti spinduliuotė, branduolinis atliekų tvarkymas ir avarijų rizika. Dėl šių priežasčių branduolinė veikla (reaktorių projektavimas, radiologinė sauga, atliekų tvarkymas) yra griežtai reguliuojama ir reikalauja specialių saugos priemonių bei kontrolės.

Skirtumas nuo cheminių reakcijų

Branduolinės reakcijos skiriasi nuo cheminių tuo, kad jose kinta ne elektronų dalijimasis ar jungtis, o atomo branduolio sudėtis. Dėl to branduolinėse reakcijose išsiskiriančios energijos kiekiai vienam vykstančiam įvykiui yra daug kartų didesni nei cheminėse reakcijose. Be to, cheminės reakcijos dažnai priklauso nuo katalizatorių ir cheminės aplinkos, tuo tarpu branduolinės reakcijos (ypač radioaktyvus skilimas) yra fundamentalios ir jų negalima paprastai valdyti cheminėmis priemonėmis; tačiau branduolinės grandininės reakcijos gali būti valdytos fiziniais įtaisais (moderatoriais, kontroliniais strypais) reaktoriuose.

Apibendrinant: branduolinės reakcijos apima platų reiškinių spektrą — nuo natūralių radioaktyvių skilimų iki intensyvių sintezės procesų žvaigždėse ar tikslingai valdomų skilimų reaktoriuose. Jos remiasi fizikos principais, kurie leidžia apskaičiuoti energijos išsiskyrimą, reakcijų tikimybę ir produktų sudėtį, o jų panaudojimas reikalauja ypatingos atsakomybės ir saugos priemonių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra branduolinė reakcija?

K: Kaip vyksta branduolių sintezė?

K: Koks yra branduolių dalijimosi reakcijos rezultatas?

K: Kuo radioaktyvusis skilimas skiriasi nuo kitų rūšių reakcijų?

K: Kur vyksta branduolinės reakcijos?

K: Kaip galima panaudoti branduolinės reakcijos metu išsiskiriančią energiją?

Paieška pagal raidę