Բաշխման ռեակցիա

Բաժանումը միջուկային ֆիզիկայի ամենահետաքրքիր և ազդեցիկ բնական երևույթներից մեկն է: Ծանր ատոմային միջուկները թեթևերի բաժանելով՝ բաժանումը անջատում է հսկայական քանակությամբ էներգիա, որն օգտագործվել է բազմազան կիրառություններում՝ էներգիայի արտադրությունից մինչև միջուկային զենք: Այս հոդվածը մանրամասն կուսումնասիրի բաժանման հիմնական սկզբունքները, դրա հայտնաբերման պատմությունը, ռեակցիայի մեխանիզմը, դրա կիրառությունները առօրյա կյանքում, ինչպես նաև դրան ուղեկցող մարտահրավերներն ու հակասությունները:

Բեկման ռեակցիաների հիմնական սկզբունքները

Բեկման ռեակցիան տեղի է ունենում, երբ ծանր ատոմային միջուկը, ինչպիսիք են ուրան-235-ը կամ պլուտոնիում-239-ը, կլանում է նեյտրոն և դառնում անկայուն։ Այս անկայունությունը հանգեցնում է միջուկի բաժանմանը երկու կամ ավելի փոքր միջուկների, որոնք կոչվում են բաժանման բեկորներ, որոնք անջատում են նեյտրոններ և էներգիա։ Ազատված էներգիան առաջանում է բաժանված միջուկների զանգվածի դեֆիցիտից՝ համեմատած սկզբնական զանգվածի հետ, համաձայն Ալբերտ Այնշտայնի հայտնի հավասարման՝ E= ^mc2-ի ։

Բեկման ռեակցիաների հայտնաբերման պատմությունը

Բեկման հայտնաբերումը 20-րդ դարի սկզբին մի շարք փորձերի և աճող հասկացողության արդյունք էր։ 1938 թվականին գերմանացի գիտնականներ Օտտո Հանը և Ֆրից Շտրասմանը, Լիզե Մեյթների և Օտտո Ռոբերտ Ֆրիշի հետ համատեղ, անցկացրեցին փորձեր, որոնք հանգեցրին միջուկային բաժանման հայտնաբերմանը։ Նրանք հայտնաբերեցին, որ երբ ուրան-235-ը ռմբակոծվում է նեյտրոններով, այն բաժանվում է բարիումի և կրիպտոնի միջուկների՝ անջատելով լրացուցիչ նեյտրոններ և էներգիա։

Այս հայտնագործությունը հիմք հանդիսացավ միջուկային տեխնոլոգիաների զարգացման համար, այդ թվում՝ Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ միջուկային ռեակտորների և միջուկային զենքի մշակման համար: Միացյալ Նահանգների գլխավորած Մանհեթենյան նախագիծը հաջողությամբ ստեղծեց պատերազմում օգտագործված առաջին ատոմային ռումբը 1945 թվականին:

Բեկման ռեակցիայի մեխանիզմ

Բաշխման ռեակցիան ներառում է մի քանի հիմնական փուլ՝

1. Նեյտրոնների կլանում . ծանր ատոմային միջուկը, ինչպիսիք են ուրան-235-ը կամ պլուտոնիում-239-ը, կլանում է նեյտրոն։ Սա միջուկը դարձնում է անկայուն և հակված ճեղքման։

2. Միջուկային ճեղքում . անկայուն միջուկը բաժանվում է երկու կամ ավելի ճեղքման բեկորների։ Այս գործընթացը անջատում է երկու կամ երեք նոր նեյտրոն և էներգիա էլեկտրամագնիսական ճառագայթման տեսքով, ինչպես նաև ճեղքման բեկորների կինետիկ էներգիա։

3. Շղթայական ռեակցիաներ . Ազատված նեյտրոնները կարող են կլանվել այլ ծանր միջուկների կողմից, ինչը հանգեցնում է ավելի շատ ճեղքման ռեակցիաների: Եթե ​​բավարար քանակությամբ նեյտրոններ են առաջանում, ճեղքման ռեակցիաները կարող են շարունակվել շղթայական ռեակցիայի միջոցով:

Այս շղթայական ռեակցիան միջուկային ռեակտորների և ատոմային ռումբերի պայթյունի գործողության հիմքում ընկած սկզբունքն է։ Միջուկային ռեակտորում շղթայական ռեակցիան կառավարվում է անընդհատ էներգիա արտադրելու համար, մինչդեռ միջուկային զենքում շղթայական ռեակցիան արագացվում է՝ շատ կարճ ժամանակում շատ մեծ պայթյուն առաջացնելու համար։

Բաշխման ռեակցիայի կիրառություններ

Բաժանման ռեակցիաները օգտագործվել են բազմազան կիրառություններում, որոնցից երկուսը ամենակարևորներն են էներգիայի արտադրությունը և միջուկային զենքը։

1. Ատոմային էլեկտրակայաններ . Ատոմային ռեակտորները օգտագործում են բաժանման ռեակցիաները ջերմություն առաջացնելու համար, որն այնուհետև օգտագործվում է գոլորշի արտադրելու համար, որը շարժում է տուրբինները և արտադրում էլեկտրաէներգիա: Ատոմային ռեակտորները օգտագործում են վառելիք, ինչպիսիք են ուրան-235-ը կամ պլուտոնիում-239-ը, և օգտագործում են կառավարման ձողեր՝ բաժանման ռեակցիայի արագությունը կարգավորելու համար՝ լրացուցիչ նեյտրոններ կլանելով:

   • Ճնշման տակ գտնվող ջրային ռեակտոր (ՃՋՌ) . Այս տեսակի ռեակտորն օգտագործում է ճնշման տակ գտնվող ջուրը որպես սառեցնող միջոց և մոդերատոր: Ճնշման տակ գտնվող ջուրը պահպանում է ռեակտորը բարձր ջերմաստիճանի վրա՝ առանց եռալու, ինչը թույլ է տալիս արդյունավետ ջերմափոխանակում:

   • Եռացող ջրային ռեակտոր (ԵՋՌ) . Այս տեսակի ռեակտորը թույլ է տալիս սառեցնող ջրին եռալ անմիջապես ռեակտորի ներսում՝ առաջացնելով գոլորշի, որը շարժում է տուրբինը: ԵՋՌ-ները ունեն ավելի պարզ կառուցվածք, քան ԵՋՌ-ները:

   • Արագ ռեակտոր . Այս ռեակտորն օգտագործում է արագ նեյտրոններ՝ առանց մոդերատորի անհրաժեշտության, որպեսզի սկսվի ճեղքման ռեակցիա։ Արագ ռեակտորները կարող են ավելի արդյունավետ օգտագործել վառելիքը և արտադրել ավելի քիչ թափոններ։

2. Միջուկային զենքեր . Միջուկային զենքերը օգտագործում են անվերահսկելի ճեղքման ռեակցիաներ՝ հսկայական պայթյուններ առաջացնելու համար: Պատերազմում օգտագործված առաջին ատոմային ռումբերը, ինչպիսիք են Հիրոսիմայի և Նագասակիի վրա նետվածները, որպես վառելիք օգտագործել են ուրան-235 և պլուտոնիում-239:

Մարտահրավերներ և հակասություններ

Չնայած ճեղքման ռեակցիաները մեծ ներուժ ունեն որպես էներգիայի աղբյուր, դրանց հետ կապված կան մի շարք մարտահրավերներ և հակասություններ.

1. Ռադիոակտիվ թափոններ . Ատոմային ռեակտորները արտադրում են վտանգավոր ռադիոակտիվ թափոններ, որոնք պահանջում են հատուկ մշակում և պահպանում՝ շրջակա միջավայրի և մարդու առողջության վրա բացասական ազդեցությունը կանխելու համար: Ռադիոակտիվ թափոնների երկարաժամկետ կառավարումը մնում է լուրջ մարտահրավեր:

2. Միջուկային անվտանգություն . 1986 թվականին Չեռնոբիլի և 2011 թվականին Ֆուկուսիմայի վթարների նման միջուկային վթարների ռիսկը մտահոգություններ է առաջացնում միջուկային ռեակտորների անվտանգության վերաբերյալ: Այս միջադեպերը ընդգծում են ճառագայթման հնարավոր վտանգները, որոնք կարող են վնասել շրջակա միջավայրին և մարդկային բնակչությանը:

3. Միջուկային զենքի տարածում . Միջուկային տեխնոլոգիաների տարածումը վտանգ է ստեղծում, որ միջուկային զենքը կարող է հայտնվել անպատասխանատու պետությունների կամ ոչ պետական ​​խմբերի ձեռքում: Միջուկային զենքի չտարածման ջանքերը նպատակ ունեն սահմանափակել միջուկային զենք պատրաստելու համար օգտագործվող միջուկային տեխնոլոգիաների և նյութերի տարածումը:

4. Տնտեսագիտություն և ներդրումներ . Ատոմակայան կառուցելը և շահագործելը պահանջում է զգալի նախնական ներդրում: Կառուցման, սպասարկման և թափոնների կառավարման ծախսերը կարող են լինել զգալի տնտեսական սահմանափակումներ:

Բեկման ռեակցիաների ապագան

Չնայած լուրջ մարտահրավերների առջև կանգնած լինելուն, ճեղքման ռեակցիաների ապագան մնում է պայծառ՝ մշակման փուլում գտնվող տարբեր հետազոտությունների և նորարարությունների շնորհիվ։

1. Հաջորդ սերնդի միջուկային ռեակտորներ . Նոր ռեակտորները նախագծվում են ավելի անվտանգ, ավելի արդյունավետ և ավելի քիչ թափոններ արտադրելու համար: Փոքր մոդուլային ռեակտորները (ՓՄՌ) խոստումնալից նորարարություններից մեկն են, որոնք առաջարկում են ճկունություն և ավելի ցածր ծախսեր:

2. Թափոնների փոխակերպում . Հետազոտություններ են իրականացվում ռադիոակտիվ թափոնները ավելի կայուն և պակաս վտանգավոր իզոտոպների վերածող տեխնոլոգիաների մշակման ուղղությամբ: Սա կարող է նվազեցնել միջուկային թափոնների քանակը և վտանգը:

3. Միջուկային միաձուլում . Թեև տարբերվում է տրոհումից, միջուկային միաձուլման հետազոտությունները շարունակում են զարգանալ: Միջուկային միաձուլումն ունի ավելի մաքուր և անվտանգ էներգիա արտադրելու ներուժ, քան տրոհումը, սակայն տեխնիկական մարտահրավերները մնում են զգալի:

Եզրակացություն

Բեկումը միջուկային ֆիզիկայի ամենակարևոր հայտնագործություններից մեկն է, որը զգալի ազդեցություն ունի էներգիայի արտադրության և միջուկային զենքի մշակման վրա: Որպես էներգիայի աղբյուր մեծ ներուժ առաջարկելով՝ բեկումը նաև բախվում է անվտանգության, ռադիոակտիվ թափոնների և միջուկային զենքի տարածման ռիսկի հետ կապված լուրջ մարտահրավերների: Հետազոտությունների և նորարարությունների շարունակականության շնորհիվ բեկման ապագան շարունակում է խոստումնալից մնալ՝ հարթելով ճանապարհը ավելի անվտանգ և կայուն էներգետիկ լուծումների համար: