ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია

ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია — ნეიტრონებით გამოწვეული მძიმე ბირთვების გაყოფის განშტოებული ჯაჭვური რეაქცია, რომლის შედეგადაც ნეიტრონების რიცხვი იზრდება და შეიძლება წარმოშვას გაყოფის თვითხელშემწყობი პროცესი.

ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ეგზოთერმულია, ე. ი. მისი მიმდინარეობის დროს ადგილი აქვს ენერგიის გამოყოფას. მძიმე ელემენტებში, მაგალითად, ურანში, ნეიტრონების N რიცხვის ფარდობა პროტონების Z რიცხვთან საგრძნობლად მეტია, ვიდრე გაყოფის შედეგად მიღებულ ნამსხვრევებში. სწორედ ეს განსაზღვრავს რამდენიმე (2-3) ჭარბი ნეიტრონის გამოყოფას ურანის ბირთვის დაშლის დროს. ეს ფაქტი ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების საშუალებას იძლევა. ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის დასახასიათებლად იყენებენ გამრავლების k კოეფიციენტს. იგი გაყოფის აქტის შემდეგ სისტემაში არსებულ ნეიტრონთა რიცხვის ფარდობაა გაყოფის წინა ამავე სისტემაში არსებულ ნეიტრონთა რიცხვთან. ბირთვული ჯაჭვური რეაქციას ადგილი ექნება, როცა k≥1-ზე, წინააღმდეგ შემთხვევაში, ჯაჭვური რეაქცია არ განვითარდება. სისტემას, რომლისთვისაც k=1, ეწოდება კრიზისული, თუ k>1, — ზეკრიზისული, ხოლო თუ k<1, — ქვეკრიზისული. გამრავლების კოეფიციენტის სიდიდე მნიშვნელოვნადაა დამოკიდებული სისტემის იზოტოპურ შედგენილობაზე, ზომასა და ფორმაზე. ურანის იზოტოპების ბუნებრივი ნარევისაგან (~99.27% ${\ce {^{238}U}}$ და ~0.72% ${\ce {^{235}U}}$) შემდგარი ნებისმიერი ზომისა და ფორმის სისტემა, სხვა ნივთიერებების დამატების გარეშე, მუდამ ქვეკრიზისულია. მასში ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია არ წარიმართება. გაყოფის შედეგად მიღებულ ნეიტრონებს დიდი ენერგია აქვთ, რის გამოც ისინი ეფექტურად ვერ იწვევენ ${\ce {^{235}U}}$ ბირთვების გაყოფას, ვინაიდან სწრაფი ნეიტრონებისათვის ამ პროცესის ალბათობა საკმაოდ მცირეა.

ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ნელი ნეიტრონებით ხორციელდება ბირთვულ რეაქტორებში, სადაც ბუნებრივი ან ${\ce {^{235}U}}$ იზოტოპით გამდიდრებული ურანი მოთავსებულია ბლოკების სახით ან თანაბრადაა განაწილებული შემნელებლის (წყალი, მძიმე წყალი, გრაფიტი, ბერილიუმი) მოცულობაში. შემნელებლის როლი ნეიტრონის შენელების პროცესის დაჩქარებაში მდგომარეობს. რეალურ ბირთვულ რეაქტორებში ნეიტრონების ნაწილი სისტემიდან გამოდის და ბირთვულ ჯაჭვურ რეაქციაში აღარ მონაწილეობს, რის გამოც გამრავლების კოეფიციენტი ტოლია:

$k=k_{\infty }p$,

სადც $k_{\infty }$ არის უსასრულო ზომის რეაქტორის გამრავლების კოეფიციენტი, $p$ — რეაქტორიდან ნეიტრონის გამოუსვლელობის ალბათობა.

კვლევის ისტორია

ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია შემოგვთავაზა ლეო ზილარდმა 1933 წელს, ნეიტრონის აღმოჩენიდან მალევე, ჯერ კიდევ ხუთი წელზე მეტი ხნის წინ ბირთვული დაშლის პირველად აღმოჩენამდე. ზილარდმა იცოდა ქიმიური ჯაჭვური რეაქციების შესახებ და ის კითხულობდა ენერგიის წარმომქმნელი ბირთვული რეაქციის შესახებ, რომელიც მოიცავდა მაღალი ენერგიის პროტონებს, რომლებიც ბომბავდნენ ლითიუმს, რაც აჩვენეს ჯონ კოკროფტმა და ერნესტ უოლტონმა 1932 წელს. ახლა ზილარდმა შესთავაზა გამოიყენოს ნეიტრონები, რომლებიც თეორიულად წარმოიქმნება გარკვეული ბირთვული რეაქციების შედეგად მსუბუქ იზოტოპებში, რათა გამოიწვიონ შემდგომი რეაქციები სინათლის იზოტოპებში, რომლებიც წარმოქმნიან მეტ ნეიტრონს. ეს თეორიულად წარმოქმნის ჯაჭვურ რეაქციას ბირთვის დონეზე. მას არ წარმოუდგენია დაშლა, როგორც ნეიტრონების წარმომქმნელი რეაქციებიდან ერთ-ერთი, რადგან ეს რეაქცია იმ დროისთვის ცნობილი არ იყო. ბერილიუმის და ინდიუმის გამოყენებით მის მიერ შემოთავაზებული ექსპერიმენტები წარუმატებელი აღმოჩნდა.

მოგვიანებით, 1938 წელს დაშლის აღმოჩენის შემდეგ, ზილარდმა მაშინვე გააცნობიერა ნეიტრონით გამოწვეული დაშლის, როგორც კონკრეტული ბირთვული რეაქციის გამოყენების შესაძლებლობა, რომელიც აუცილებელია ჯაჭვური რეაქციის შესაქმნელად, სანამ დაშლა ასევე წარმოქმნიდა ნეიტრონებს. 1939 წელს, ენრიკო ფერმისთან ერთად, ზილარდმა დაამტკიცა ეს ნეიტრონის გამრავლების რეაქცია ურანში. ამ რეაქციაში ნეიტრონი პლუს დაშლადი ატომი იწვევს დაშლას, რაც იწვევს ნეიტრონების უფრო დიდ რაოდენობას, ვიდრე ერთი, რომელიც დაიხარჯა საწყის რეაქციაში. ასე დაიბადა პრაქტიკული ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ნეიტრონით გამოწვეული ბირთვული დაშლის მექანიზმით.

1942 წლის ბოლოს თვითხელშემწყობი ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის დემონსტრირება განხორციელდა ენრიკო ფერმის ხელმძრვანელობით ჩიკაგოს ბირთვულ რეაქტორში (ინგლ. Chicago Pile-1).

იხილეთ აგრეთვე

• ჯაჭვური რეაქცია

ლიტერატურა

• ნასყიდაშვილი ი., ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 2, თბ., 1977. — გვ. 406.