O reacție nucleară în lanț este o secvență de reacții nucleare individuale , fiecare dintre acestea fiind cauzată de o particulă care a apărut ca produs de reacție la etapa anterioară a secvenței. Un exemplu de reacție nucleară în lanț este reacția în lanț de fisiune nucleară a elementelor grele, în care numărul principal de evenimente de fisiune este inițiat de neutronii obținuți din fisiunea nucleară în generația anterioară.
Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele substanței se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă, tranziția către care există. Tranziția spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică , pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energia de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitației se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care aderă.
Dacă ținem cont de scalele macroscopice ale eliberării de energie, atunci energia cinetică necesară pentru excitarea reacțiilor trebuie să aibă toate sau la început cel puțin o parte din particulele substanței. Acest lucru este realizabil numai atunci când temperatura mediului se ridică la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de valoarea pragului de energie , ceea ce limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice , o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, în timp ce în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 K din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare a fost efectuată în practică numai în sinteza celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime ( fuziune termonucleară ).
Excitarea de către particulele de îmbinare nu necesită o energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece se produce din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar, pe de altă parte, particulele în sine sunt necesare pentru a excita reacțiile. Și dacă din nou avem în vedere nu un act separat de reacție, ci producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale reacției exoenergetice.
Reacțiile în lanț se găsesc adesea printre reacțiile chimice, unde rolul particulelor cu legături neutilizate este jucat de atomii liberi sau radicalii . Mecanismul de reacție în lanț în transformările nucleare poate fi asigurat de neutroni care nu au o barieră Coulomb și excită nucleii la absorbție. Apariția particulei necesare în mediu determină un lanț de reacții care urmează una după alta, care continuă până când lanțul este terminat din cauza pierderii particulei purtătoare a reacției. Există două motive principale pentru pierderi: absorbția unei particule fără a emite una secundară și plecarea unei particule în afara volumului substanței care susține procesul în lanț.
Dacă în fiecare act al reacției apare o singură particulă purtătoare, atunci reacția în lanț se numește neramificată . O reacție în lanț neramificată nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă.
Dacă în fiecare etapă a reacției sau în unele verigi ale lanțului apar mai mult de o particulă, atunci are loc o reacție în lanț ramificat, deoarece una dintre particulele secundare continuă lanțul început, în timp ce celelalte dau lanțuri noi care se ramifică din nou. . Adevărat, procesele care duc la rupere în lanț concurează cu procesul de ramificare, iar situația actuală dă naștere unor fenomene limitative sau critice specifice reacțiilor în lanț ramificat. Dacă numărul de rupturi de lanț este mai mare decât numărul de lanțuri noi care apar, atunci o reacție în lanț autosusținută (SCR) este imposibilă. Chiar dacă este excitat artificial prin introducerea unui anumit număr de particule necesare în mediu, atunci, deoarece numărul de lanțuri în acest caz nu poate decât să scadă, procesul care a început decade rapid. Dacă numărul de lanțuri noi formate depășește numărul de rupturi, reacția în lanț se răspândește rapid în întregul volum al substanței atunci când apare cel puțin o particulă inițială.
Regiunea stărilor materiei cu dezvoltarea unei reacții în lanț auto-susținută este separată de regiunea în care o reacție în lanț este în general imposibilă printr -o stare critică . Starea critică este caracterizată de egalitatea între numărul de lanțuri noi și numărul de întreruperi.
Atingerea unei stări critice este determinată de o serie de factori. Fisiunea unui nucleu greu este excitată de un neutron și, ca urmare a evenimentului de fisiune, apare mai mult de un neutron (de exemplu, pentru 235 U , numărul de neutroni produși într-un eveniment de fisiune este, în medie, de la 2). la 3). În consecință, procesul de fisiune poate da naștere unei reacții în lanț ramificat, ai cărei purtători vor fi neutronii. Dacă rata pierderilor de neutroni (captură fără fisiune, scăpare din volumul de reacție etc.) compensează rata de multiplicare a neutronilor în așa fel încât factorul efectiv de multiplicare a neutronilor este exact egal cu unitatea, atunci reacția în lanț se desfășoară într-un mod staționar. modul. Introducerea feedback-urilor negative între factorul de multiplicare efectiv și rata de eliberare a energiei face posibilă implementarea unei reacții în lanț controlate, care este utilizată, de exemplu, în ingineria nucleară . Dacă factorul de multiplicare este mai mare de unu, reacția în lanț se dezvoltă exponențial; o reacție necontrolată de fisiune în lanț este utilizată în armele nucleare .