Řetězová reakce
Řetězová reakce je fyzikální nebo chemické transformace (reakce), který se skládá z podobných, vzájemně závislé reakce. Produkt individuální reakce je výchozí produkt ( reaktant , výchozí materiál ) pro následující reakci . Reakční řetězec může být lineární nebo rozvětvený.
Pro rozvětvené reakční řetězce je typický exponenciální zákon času . Rychlost reakce (počet jednotlivých reakcí za časový interval) se může v průběhu času zvyšovat nebo snižovat nebo být konstantní (viz příklady níže). „Řetězová reakce“ neznamená - na rozdíl od běžného nedorozumění -, že proces se musí neustále zrychlovat nebo šířit a vést ke katastrofě . Ne každý lavinový proces pěstování také není řetězovou reakcí, zejména termonukleárními výbuchy.
Termín řetězová reakce se používá stejným způsobem v běžném jazyce, viz dominový efekt nebo řetězový dopis .
Chemické řetězové reakce
Řetězové reakce nemusí sestávat z jediného typu částečné reakce. Například reakci, která by sama vedla pouze k lineárním reakčním řetězcům, lze kombinovat s jinou reakcí, která vede k větvím řetězce. Důležité jsou chemické řetězové reakce, např. B. při polymeraci nebo substituci radikálů . V polymerázové řetězové reakci (PCR) se větvící reakce cyklují teplotními změnami, při nichž se konverze v každém kroku zdvojnásobuje. Známou aplikací PCR je stanovení genetického otisku prstu .
Procesy s energií, ale nikoli s přenosem produktu, v čisté formě během detonace , se nenazývají řetězové reakce. Často jsou však přechody plynulé. Mnoho spalovacích procesů začíná převážně lineárními reakčními řetězci, viz plyn detonující chlór , ale dosáhne teploty víceméně rychle ( zpoždění vznícení ) uvolněním energie, při které dominují termické disociační reakce prostřednictvím větví řetězce, které mohou probíhat paralelně. To je obvyklý stav u hořícího plamene . Reakční rychlost lze regulovat přiváděním reakčních materiálů.
Fyzické řetězové reakce
Neutronové jaderné štěpení
.svg)
Štěpení vhodného atomového jádra vyvolané pomocí absorpce volného neutronu uvolní některé neutrony opět (v průměru mezi dvěma a třemi neutronů, v závislosti na rozdělení nuklidu a energie vybavovací neutronu). Mohou rozdělit další jádra, uvolňovat nové neutrony atd.
Během normálního provozu jaderného reaktoru je tato řetězová reakce řízena takovým způsobem, že reakční rychlost zůstává konstantní ( kritičnost ), tj. To znamená, že v průměru přesně jeden z nových neutronů znovu spustí štěpení. Pro zvýšení výkonu se zvyšuje rychlost odezvy, pro snížení se snižuje. Změny reakční rychlosti lze vyjádřit multiplikačním faktorem k ; Každý 1 volný neutron má průměrně k volných neutronů jako nástupce v příští generaci . Při konstantní rychlosti reakce - a tedy při stálém výkonu reaktoru - k = 1,00.
Řízení v reaktoru probíhá většinou odstraněním neutronů z reakce pomocí vhodných nefilních látek ( absorbéry neutronů ). Například v tlakovodních reaktorech pro pomalé a trvalé změny se mění množství sloučeniny boru rozpuštěné v chladicí vodě ; Ovládací tyče se používají pro krátkodobé opravy a pro vypnutí .
Jaderné zbraně , na druhé straně, je navržena tak, aby zvýšila rychlost reakce tak rychle a tak rychle, jak je to možné. Kromě samotného štěpného materiálu jsou v konstrukci vyloučeny absorbéry neutronů.
Obrázek schematicky ukazuje štěpící řetězovou reakci s rychle rostoucí reakční rychlostí, zde: zdvojnásobení v každé generaci. (Směr zleva doprava ukazuje pouze časovou, nikoli prostorovou sekvenci. Ve skutečnosti se uvolněné neutrony pohybují v prostoru obsahujícím štěpný materiál ve všech prostorových směrech.)
Jiné typy jaderných reakcí zahrnujících přenos neutronů
Ještě před objevením jaderného štěpení přemýšlel Leó Szilárd o možnosti, že by se jako řetězové reakce mohly uskutečnit i jiné typy jaderných reakcí , které jsou spouštěny neutrony a poté samy uvolňují neutrony. Ale není tomu tak. Aby bylo možné dosáhnout násobení k = 1 nebo vyšší, musí reakce uvolnit více neutronů, než spotřebuje; aby se reprodukovalo bez vstupu energie, musí být exotermické . Jak je nyní známo, štěpení jaderných zbraní je jedinou reakcí, která splňuje obě podmínky. Všechny (n, 2n) -, (n, 3n) -, (n, x2n) - a podobné reakce (x označuje jednu nebo více libovolných částic) jsou endotermické .
Jaderná fůze
Některé fúzní reakce tvoří reakční řetězce ve smyslu následných reakcí v rámci reakčního mechanismu , jako jsou různé reakce proton-protonové reakce , které vedou ke vzniku helia ve hvězdách . Nejedná se však o řetězovou reakci, protože reakční kroky nejsou podobné.
Násobení nosiče náboje prostřednictvím kolizních procesů
Řetězové reakce se vyskytují také v nezávislém výboji plynu a jako lavina v polovodičových diodách. Nosič náboje zrychlený v elektrickém poli generuje další páry nosiče náboje v případě kolize.
ilustrace
Řetězovou reakci se zpočátku rostoucí reakční rychlostí lze ilustrovat pastí na myši: napjatá past nese na úderové tyči kuličku, která je silně zrychlena spouštěcím mechanismem. Pokud zasáhne jednu nebo více pastí na myši, spustí je, takže do hry vstoupí více míčků.
