Kjedereaksjon
En kjedereaksjon er en fysisk eller kjemisk transformasjon (reaksjon) som består av lignende, gjensidig avhengige reaksjoner. Et produkt av en individuell reaksjon er utgangsproduktet ( reaktant , utgangsmateriale ) for en etterfølgende reaksjon . Reaksjonskjeden kan være lineær eller forgrenet.
En eksponentiell tidslov er typisk for forgrenede reaksjonskjeder . Den reaksjonshastighet (antall individuelle reaksjoner per tidsintervall) kan øke eller minske over tid, eller være konstant (se eksempler nedenfor). "Kjedereaksjon" betyr ikke - i motsetning til en vanlig misforståelse - at prosessen hele tiden må akselerere eller spre seg og føre til en katastrofe . Dessuten er ikke alle skredlignende vekstprosesser en kjedereaksjon, spesielt termonukleære eksplosjoner.
Begrepet kjedereaksjon brukes på samme måte i hverdagsspråket, se dominoeffekt eller kjedebrev .
Kjemiske kjedereaksjoner
Kjedereaksjoner trenger ikke å bestå av en eneste type delvis reaksjon. For eksempel kan en reaksjon som alene vil føre til bare lineære reaksjonskjeder kombineres med en annen reaksjon som fører til kjedegrener. Kjemiske kjedereaksjoner er viktige, f.eks. B. i polymerisering eller radikal substitusjon . I polymerasekjedereaksjonen (PCR) sykles forgreningsreaksjoner gjennom temperaturendringer, der omdannelsen dobler i hvert trinn. En kjent anvendelse av PCR er bestemmelsen av det genetiske fingeravtrykket .
Prosesser med energi, men ikke produktoverføring, i sin rene form under detonasjon , kalles ikke kjedereaksjoner. Ofte er imidlertid overgangene flytende. Mange forbrenningsprosesser starter med overveiende lineære reaksjonskjeder, se klordetonerende gass , men når en temperatur mer eller mindre raskt ( tenningsforsinkelse ) gjennom frigjøring av energi der termiske dissosieringsreaksjoner dominerer via kjedegrener som kan løpe parallelt. Dette er den vanlige tilstanden med en brennende flamme . Reaksjonshastigheten kan kontrolleres ved å tilføre reaksjonsmaterialene.
Fysiske kjedereaksjoner
Nøytronindusert kjernefisjon
.svg)
Spaltingen av en passende atomkjerne utløst av absorpsjonen av et fritt nøytron frigjør noen nøytroner igjen (i gjennomsnitt mellom to og tre nøytroner, avhengig av delt nuklid og energien til det utløsende nøytronet). Disse kan dele flere kjerner, frigjøre nye nøytroner, etc.
Under normal drift av en atomreaktor styres denne kjedereaksjonen på en slik måte at reaksjonshastigheten forblir konstant ( kritikk ), dvs. Dette betyr at i gjennomsnitt nøyaktig en av de nye nøytronene utløser en fisjon igjen. For å øke ytelsen økes svarprosenten, for å redusere den reduseres den. Endringer i reaksjonshastigheten kan uttrykkes med multiplikasjonsfaktoren k ; Hvert 1 gratis nøytron har et gjennomsnitt på k gratis nøytroner som en etterfølger i neste generasjon . Ved en konstant reaksjonshastighet - og dermed en konstant reaktorutgang - k = 1,00.
Kontrollen i reaktoren skjer hovedsakelig ved å fjerne nøytroner fra reaksjonen ved hjelp av egnede ikke-fissile stoffer ( nøytronabsorbatorer ). For eksempel i reaktorer med trykkvann for langsomme og permanente endringer, endres mengden av en borforbindelse oppløst i kjølevannet ; Kontrollstavene brukes til kortvarige korreksjoner og for å slå av .
Et atomvåpen er derimot designet for å øke reaksjonshastigheten så raskt og så raskt som mulig. I tillegg til selve fisjonmaterialet unngås nøytronabsorbatorer i konstruksjonen.
Bildet viser skjematisk en splittende kjedereaksjon med en raskt økende reaksjonshastighet, her: dobling i hver generasjon. (Retningen fra venstre til høyre viser bare den tidsmessige, ikke den romlige sekvensen. I virkeligheten beveger de frigjorte nøytronene seg i et rom som inneholder spaltbart materiale i alle romlige retninger.)
Andre typer atomreaksjoner som involverer nøytronoverføring
Allerede før oppdagelsen av kjernefysisk fisjon, tenkte Leó Szilárd på muligheten for at andre typer kjernefysiske reaksjoner , som utløses av nøytroner og deretter frigjør nøytroner selv, kan finne sted som kjedereaksjoner. Men dette er ikke tilfelle. For å kunne oppnå en multiplikasjon på k = 1 eller høyere, må reaksjonen frigjøre flere nøytroner enn den bruker; for å reprodusere uten energiinngang, må den være eksoterm . Som nå er kjent, er kjernefisjonering den eneste reaksjonen som oppfyller begge vilkår. Alle (n, 2n) -, (n, 3n) -, (n, x2n) - og lignende reaksjoner (x betegner en eller flere vilkårlige partikler) er endotermiske .
Kjernefysisk fusjon
Noen fusjonsreaksjoner danner reaksjonskjeder i betydningen etterfølgende reaksjoner i en reaksjonsmekanisme , slik som de forskjellige reaksjonene i proton-protonreaksjonen , som fører til dannelse av helium i stjerner . Dette er imidlertid ikke en kjedereaksjon fordi reaksjonstrinnene ikke er like.
Ladebærermultiplikasjon gjennom kollisjonsprosesser
Kjedereaksjoner forekommer også i uavhengig gassutslipp og som et snøskrednedbrudd i halvlederdioder. En ladebærer akselerert i et elektrisk felt genererer ekstra ladebærpar i tilfelle kollisjoner.
illustrasjon
En kjedereaksjon med en opprinnelig økende reaksjonshastighet kan illustreres med musefeller: den spente fellen bærer en ball på den slående stangen, som akselereres kraftig av utløsermekanismen. Hvis den treffer en eller flere andre musefeller, utløser den dem slik at flere baller kommer i spill.
