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事件結果包含有事件發生條件的反應稱為鏈式反應。單事件鏈式反應(如鈾核裂變),多事件鏈式反應(如化學中的多催化反應,經濟學中的金融危機)。一般地,鏈式反應指核物理中,核反應產物之一又引起同類核反應繼續發生、並逐代延續進行下去的過程。

1概念

事件結果包含有事件發生條件的反應稱為鏈式反應。如有焰燃燒都存在鏈式反應。當某種可燃物受熱,它不僅會汽化,而且該可燃物的分子會發生熱解作用從而產生自由基。自由基是一種高度活潑的化學形態,能與其他的自由基和分子反應,而使燃燒持續進行下去,這就是燃燒的鏈式反應。
但一般地,鏈式反應指核物理中,核反應產物之一又引起同類核反應繼續發生、並逐代延續進行下去的過程。

2鈾核裂變

鈾核裂變的假說一經提出,所有的物理實驗室立刻沸騰起來了,對這一現象展開了緊張的研究。在不到一年的時間內,所發表的有關核裂變的科學論文,總共達一百多篇,這在物理史上是沒有前例的。在很短的時期內,不但搞清楚了核裂變的基本特性,並且揭示了這一發現的深刻意義。鈾核裂變的基本特性是不對稱裂變。
中子過剩
鈾核裂變時,分裂成兩個碎片的情況是最常見的,也曾觀察到分裂成三個(甚至四個)碎片的情況,不過發生的幾率很小,只有千分之幾。這種所謂「三裂變」現象,是中國著名核物理學家錢三強、何澤慧夫婦於1946年首先發現的。三裂變的幾率雖然很小,但由於它能更清楚地說明裂變機制,所以目前仍在對它進行研究。
核裂變所生成的碎片一般都是中子過剩的,它們以發射電子(β衰變)的方式逐漸將過剩的中子轉變成質子,即通過一連串的β衰變而到達穩定狀態。由於這個緣故,大多數裂變產物通常都是β放射性同位素。為什麼核裂變產生的碎片通常是中子過剩的呢?為什麼不是缺少中子或中子數與質子數正合適呢?
我們知道,原子核是由質子和中子(統稱核子)組成的。核子之間存在一種很強的作用力,叫做核力,這種力是一種短程吸引力。在原子核內,這種作用力很強,在原子核外,迅速降到零,核子就是靠這種力保持在原子核內的。另外質子間還存在靜電斥力,隨著原子序數的增加,即隨著原子核內質子數的增加,靜電斥力也增大。因此,為維持核的穩定性,需要更多的過剩中子所產生的核力來平衡這一斥力。因而,穩定原子核的核內中子數和質子數的比值,隨著原子序數的增加而變大。例如輕元素碳、氧等的中子數與質子數之比為1,中等質量的元素溴、鋇等為1.3,而鈾、釷等重元素則增大到1.6。原子核的中子數和質子數之比若小於或大於相應的合適比值,都將是不穩定的。
對於鈾核裂變的情況來說,鈾的中子數與質子數之比約為1.6,那麼,生成的碎片的中子數與質子數之比當然也是1.6左右。但是裂變生成的是中等質量的元素,它們在中子數與質子數之比為1.3左右時才是穩定的。顯然,這些碎片是中子過剩的,必然會以β衰變的方式,使中子數與質子數之比降到1.3左右,從而達到穩定狀態。
鏈式反應的臨界體積
鏈式反應發生的條件:鈾塊的體積必須大於臨界體積。
確實,科學家們為實現核裂變鏈式反應,使之造福於人類,而付出了巨大的勞動,現在讓我們從理論上先分析一下實現鏈式反應的條件。中子是實現核裂變鏈式反應的媒介,因此要使一個體系的鏈式反應能持續地進行下去,就必須使中子的數目至少不隨時間而減少。
我們通常把體系中某一代中子數與上一代中子數之比稱為中子增殖係數,用k表示。當k=1時,體系中的中子數目保持不變,鏈式反應以恆定的速率持續進行,這種狀態稱為臨界。k>l時,中子數目將越來越多,鏈式反應的規模越來越大,這時稱為超臨界。而k<1時則稱為次臨界,此時中子數目逐漸減少,鏈式反應規模越來越小,直至最後停息。
天然鈾中主要含有鈾235和鈾238兩種同位素,前者約佔0.72%,而後者約佔99.27%。經研究表明,鈾235在各種能量的中子作用下,均可能裂變,而鈾238隻有在能量大於1.1兆電子伏的中子轟擊下才可能裂變,而且前者的裂變幾率大大地超過後者。因此,要造成鏈式反應,實際上只能利用天然鈾中含量極少的鈾235。
為簡便起見,我們先來考慮一個由純鈾235構成的體系。在這種體系內,中子的命運大致有兩種,一是被鈾235吸收,引起裂變(小部分不引起裂變),從而使中子數目增加;二是從體系的表面泄漏出去,損失掉。因此,對於這樣的體系,只要由裂變增加的中子數不小於泄漏損失的中子數,鏈式反應即能維持。
我們假定有一個純鈾235的體系,該體系中原有100個中子,其中49個從體系的表面泄漏出去而損失掉;其餘51個被鈾235吸收,而其中又有10個不引起裂變(使鈾235轉變成鈾236,就維持鏈式反應而言,這也是一種損失),只有41個中子引起裂變。按比較精確的數值,每次裂變平均產生2.46個中子。因此一共能放出2.46×41≈100個中子。這樣,該體系的中子增殖係數k=1,這就是說,鏈式反應能持續進行了。
如果泄漏出去的中子數多於49個,必然使k值小於1,鏈式反應就不能維持。而如果泄漏出去的中子數少於49個,這樣k值就大於1,鏈式反應的規模就越來越大。
我們知道,中子的泄漏與體系的表面積成正比,而中子的產生則與體系中裂變物質的量,即與體系的體積成正比。對於一定形狀的體系,當其尺寸(亦即質量)增加時,體積的增加要比表面積的增加來得快,因而使中子的相對泄漏變小。由此可知,為實現自持鏈式反應(k=1),存在一個裂變物質的最小體積(或質量),這就是所謂臨界體積(或臨界質量)。
顯然,臨界體積或臨界質量與體系的幾何形狀有關。扁平或細長的形狀都使表面積與體積的比值增大,從而增加中子的相對泄漏。以圓柱形體系為例,當其直徑小於一定數值時,即使把高度無限加大,也不能使其達到臨界狀態;同樣,當高度小於一定數值時,用加大直徑的辦法也無法使它達到臨界。對於一定的體積,以球形的表面積為最小,所以球形體系具有最小的臨界質量。
臨界質量與體系的物質組成當然有很大的關係。對於純鈾235組成的球形體系,臨界質量約為50公斤,臨界直徑約為16.8厘米。有些體系,由於非裂變物質含量太大,非裂變吸收太嚴重,即使把尺寸放大到無限大,也不能達到臨界狀態,純粹由天然鈾組成的體系便屬於這種情況。
天然鈾體系如何達到臨界
那麼,有沒有辦法能使天然鈾體系達到臨界呢?有辦法。我們先來分析一下純粹由天然鈾組成的體系內中子的活動情況。由於這種體系除了鈾235外,還含有大量的鈾238,所以中子的活動情況要複雜一些。大致說來,可以分為以下四種情況:
⑴中子(不論速度快慢)被鈾235吸收,大部分引起裂變,小部分只被吸收而不引起裂變,因此總的效果是使中子數目增加。
⑵能量大於1.1兆電子狀的中子,被鈾238吸收,引起裂變,使中子數有所增加。
⑶能量小於1.1兆電子伏的中子,被鈾238吸收,但不引起裂變,因而使中子數目減少。
⑷中子從體系的表面泄漏出去而損失掉。
方便起見,我們暫且忽略⑷,只考慮前三種情況,這種沒有中子泄漏的體系相當於一個無限大的天然鈾體系。這樣,使中子數增加的是情況⑴和⑵,使中子數減小的是情況⑶。要使體系能維持鏈式反應,只要這兩個方面取得平衡就行了。
但情況⑵引起的中子數增加是不多的,這是因為能量大子1.1兆電子伏的中子與鈾238碰撞時,只有很少一部分被吸收而引起裂變,大部分散射回來,損失掉部分能量。
這樣,能否維持鏈式反應,就要看情況⑴和⑶哪個是主要的了。在天然鈾中,鈾235隻佔一百四十分之一,所以,中子碰上鈾235的機會要比碰上鈾238的機會小得多。如果在同樣的碰撞機會下,對熱中子來說(能量下降到周圍介質原子平均動能水平的中子稱為熱中子),它引起鈾235裂變的可能性卻要比被鈾238吸收的可能性大190倍。因此對熱中子而言,情況⑴將超過⑶,使增殖係數k大於1。
問題在於,中子在損失其能量變成熱中子之前,在能量5~100電子伏的區域內,特別容易被鈾238吸收(稱為共振吸收)。結果k還是小於1,鏈式反應難以維持。因此,要維持鏈式反應,就要採取某種措施,使中子的速度迅速減慢,越過強烈吸收中子的共振吸收區域,變成熱中子。使用慢化劑,就能達到這一目的。
我們來看一看物體碰撞減速的情況。當一個較小的物體去碰質量大的物體時,例如用乒乓球碰桌子時,乒乓球幾乎以原來的速度彈回來,動能損失很小;而當一個乒乓球去碰另一個乒乓球時,由於兩者質量幾乎相等,乒乓球大約將會損失掉一半的動能。因此採用原子核質量與中子質量相近的物質作慢化劑,則慢化性能比較好。當然還要求慢化劑對中子的吸收能力很小。
按上述要求,重氫是一種很合適的慢化劑,它的質量只比中子重一倍,吸收中子的能力又很低。實際使用時,一般不用重氫氣體,因為它的密度太小,而是用重氫與氧化合成的重水。石墨也是一種優良的慢化劑,雖然慢化能力比重水差一些,但是價格要比重水便宜得多。
使用了慢化劑以後,大部分中子就迅速地被慢化成熱中子,從而使情況⑶減少,使情況⑴增加。這樣,就能使原來的非臨界體系變成臨界體系。例如,用重水或石墨作慢化劑,就能使天然鈾體系達到臨界狀態。普通水也可用作慢化劑,但它吸收中子的能力較大,只有與加濃鈾一起,才能構成臨界體系。
考慮到情況⑷,實際體系總是有一部分中子泄漏出去的,這就要求體系有足夠大的尺寸,使泄漏出去的中子數只佔很小的比例,以使k值大於1,保證鏈式反應的進行。若在體系周圍包上一層能反射中子的所謂反射層,使泄漏出去的中子一部分可以反射回來,那就更有利於鏈式反應的進行了。通常採用重水、輕水、鈹、石墨或其它材料.作反射層。
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