核裂變

核裂變

核裂變,又稱核分裂,是指由重的原子核,主要是指鈾核或鈈核,分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。核子彈、裂變核電站或核能發電廠的能量來源就是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常見,熱中子轟擊235原子後會放出2到4個中子,中子再去撞擊其它鈾235原子,從而形成鏈式反應

  • 中文名稱
    核裂變
  • 外文名稱
    Nuclear fission
  • 別    名
    核分裂
  • 領    域
    物理學

定義

核裂變(Nuclear fission)又稱核分裂,是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。

裂變隻有一些質量非常大的原子核(yóu)、(tǔ)和鈈(bù)等才能發生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以後會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核,同時放出二個到三個中子和很大的能量,又能使別的原子核接著發生核裂變……,使過程持續進行下去,這種過程稱作鏈式反應。原子核在發生核裂變時,釋放出巨大的能量稱為原子核能,俗稱原子能。1千克-238的全部核的裂變將產生20,000兆瓦小時的能量(足以讓20兆瓦的發電站運轉1,000小時),與燃燒2500噸煤釋放的能量一樣多。

核裂變也可以在沒有外來中子的情形下出現,這種核裂變稱為自發裂變,是放射性衰變的一種,隻出現在幾種較重的同位素中。不過大部份的核裂變都是一種有中子撞擊的核反應,反應物裂變為二個或多個較小的原子核。核反應是依中子撞擊的機製所產生,不是依照自發裂變中,相對較固定的指數衰減及半衰期特徵所控製。

(鈾-235 釷-232、鈈-244)

鈾裂變在核電廠最常見,熱中子轟擊鈾原子會放出2到4個中子,中子再去撞擊其它鈾原子,從而形成鏈式反應而自發裂變。撞擊時除放出中子還會放出熱,如果溫度太高,反應爐會熔掉,而演變成反應爐融毀造成嚴重災害,因此通常會放控製棒(中子吸收體)去吸收中子以降低分裂速度。

原理

裂變釋放能量是與原子核中質量-能量的儲存方式有關。從最重的元素一直到鐵,能量儲存效率基本上是連續變化的,所以,重核能夠分裂為較輕核(到鐵為止)的任何過程在能量關系上都是有利的。如果較重元素的核能夠分裂並形成較輕的核,就會有能量釋放出來。

然而,很多這類重元素的核一旦在恆星內部形成,即使在形成時要求輸入能量(取自超新星爆發),它們卻是很穩定的。不穩定的重核,比如鈾-235的核,可以自發裂變。快速運動的中子撞擊不穩定核時,也能觸發裂變。由于裂變本身釋放分裂的核內中子,所以如果將足夠數量的放射性物質(如鈾-235)堆在一起,那麽一個核的自發裂變將觸發近旁兩個或更多核的裂變,其中每一個至少又觸發另外兩個核的裂變,依此類推而發生所謂的鏈式反應。這就是稱之為核子彈(實際上是核彈)和用于發電的核反應堆(通過受控的緩慢方式)的能量釋放過程。

對于核彈,鏈式反應是失控的爆炸,因為每個核的裂變引起另外好幾個核的裂變。對于核反應堆,反應進行的速率用插入控製棒來控製,使得平均起來每個核的裂變正好引發另外一個核的裂變。核裂變所釋放的高能量中子移動速度極高(快中子),因此必須通過減速,以增加其撞擊原子的機會,同時引發更多核裂變。一般商用核反應堆多使用慢化劑將高能量中子速度減慢,變成低能量的中子(熱中子)。商營核反應堆普遍採用鎘棒、石墨和較昂貴的重水作為慢化劑。

世界上第一座核反應堆世界上第一座核反應堆

發現過程

莉澤·邁特納(Lise Meitner)和奧多·哈恩(Otto Hahn)同為德國柏林威廉皇帝研究所(Kaiser Wilhelm Institute)的研究員。作為放射性元素研究的一部分,邁特納和哈恩曾經奮鬥多年創造比鈾重的原子(超鈾原子)。用遊離質子轟擊鈾原子,一些質子會撞擊到鈾原子核,並粘在上面,從而產生比鈾重的元素。這一點看起來顯而易見,卻一直沒能成功。

他們用其他重金屬測試了自己的方法,每次的反應都不出所料,一切都按莉澤的物理方程式所描述的發生了。可是一到鈾,這種人們所知的最重的元素,就行不通了。整個20世紀30年代,沒人能解釋為什麽用鈾做的實驗總是失敗。

物理學角度

從物理學上講,比鈾重的原子不可能存在是沒有道理的。但是,100多次的試驗,沒有一次成功。顯然,實驗過程中發生了他們沒有意識到的事情。他們需要新的實驗來說明遊離的質子轟擊鈾原子核時究竟發生了什麽。

最後,奧多想到了一個辦法:用非放射性的鋇作標記,不斷地探測和測量放射性的鐳的存在。如果鈾衰變為鐳,鋇就會探測到。

他們先進行前期實驗,確定在鈾存在的條件下鋇對放射性鐳的反應,還重新測量了鐳的確切衰變速度和衰變模式。這花了他們三個月的時間。

沒等他們進行實質性的實驗,莉澤就不得不逃往瑞典,躲避上台的希特勒納粹黨。奧多隻得獨自進行他們的偉大的實驗。

奧托·哈恩完成實驗兩周後,莉澤·邁特納就收到了一份長長的報告,其中記述了他實驗的失敗。哈恩用集束粒子流轟擊鈾,卻連鐳也沒得到,隻探測到了更多的鋇--鋇遠遠多出了實驗開始時的量。他感到迷惑不解,請求莉澤幫他解釋這究竟是怎麽回事。

一周後,莉澤穿著雪鞋在初冬的雪地裏散步,這時一個畫面從她心中一閃而過:原子將自身撕裂開來。這個畫面來得那麽生動、驚人和強烈,她幾乎從想象中就能感到原子核的跳動,能聽到原子撕裂時發出的噝噝聲。

她立即認識到自己已經找到了答案:質子的增加使鈾原子核變得很不穩定,從而發生分裂。他們又做了一個實驗,證明當遊離的質子轟擊放射性鈾時,每個鈾原子都分裂成了兩部分,生成了鋇和氪。這個過程還釋放出巨大的能量。

就這樣邁特納發現了核裂變的過程。

將近4年之後,1942年12月2日下午2時20分,恩裏克·費米扳動開關,幾百個吸收中子的鎘控製棒沖出石墨塊和數噸氧化鈾小球壘成的反應堆。費米在芝加哥大學斯塔格足球場的西看台下的地下網球場內堆放了4.2萬個石墨塊。這是世界上第一個核反應堆--是邁特納發現的產物。1945年,核子彈的發明是她的核裂變發現的第二次套用。

我們應謹慎利用核裂變!

意義

對裂變現象的研究,幾十年來始終是核物理的一個活躍的分支。這是由于:

①裂變有著重大的實用價值;

②裂變是一個極復雜的核過程,研究這一過程有助于原子核物理學的發展。

在裂變發現後,很快就弄清楚了,裂變時不但釋放出巨大的能量,而且同時還發射出幾個中子。既然中子能引起裂變,裂變又產生更多的中子,因此可以通過鏈式反應(見裂變反應堆)在巨觀尺度上使原子核釋放出能量來。這就找到了大規模利用核能的途徑。除了巨大的核能在軍事和能源方面的實際套用之外,隨著反應堆的建立,放射性同位素開始大規模生產並廣泛套用于工農醫等各部門。從發現衰變到掌握原子能,是20世紀科學史上的重要一頁。

裂變是核的大形變集體運動的結果,弄清它的機製,了解裂變過程的各種復雜的現象,到仍然是一個需要繼續努力研究的方向。因此對于核物理本身,裂變也具有很重要的意義。此外,自發裂變是決定最重的那些核素的穩定性的重要因素;裂變產物提供了大量的豐中子遠離β穩定線的核素;裂變研究又提供了原子核在大形變條件下的各種特徵(如變形核的殼效應)等等。所有這些都說明裂變是核物理的一個重要研究領域。

裂變過程

下面按液滴模型的觀點,簡述裂變的全過程。處于激發態的原子核(例如,鈾-235核吸收一個中子之後,就形成激發態的鈾-236核)發生形變時,一部分激發能轉化為形變勢能。隨著原子核逐步拉長,形變能將經歷一個先增大後減小的過程。這是因為有兩種因素在起作用:來自核力的表面能是隨形變而增大的;來自質子之間靜電斥力的庫侖能卻是隨形變的增大而減小的。

核裂變核裂變

兩種因素綜合作用的結果形成一個裂變勢壘,原子核隻有通過勢壘才能發生裂變。勢壘的頂點稱為鞍點。到達最終斷開的剪裂點後,兩個初生碎片受到相互的靜電斥力作用,向相反方向飛離。靜電庫侖能轉化成兩碎片的動能。初生碎片具有很大的形變,它們很快收縮成球形,碎片的形變能就轉變成為它們的內部激發能。具有相當高激發能的碎片,以發射若幹中子和γ射線的方式退激,這就是裂變瞬發中子和瞬發γ射線。退激到基態的碎片由于中子數(N)質子數(Z)的比例(N/Z)偏大,均處于β穩定線的豐中子一側,因此要經歷一系列的β衰變而變成穩定核(見遠離β穩定線的核素)。這就是裂變碎片的β衰變鏈。在β衰變過程中,有些核又可能發出中子,這此中子稱為緩發中子。以上就是一個激發核裂變的全過程。

裂變幾率

穩定的重核的基態能量總是低于裂變勢壘,要越過勢壘,才能發生裂變,處于基態的核可以通過量子力學的隧道效應,有一定的幾率穿越勢壘而發生裂變,這就是自發裂變。勢壘越高,越寬,穿透的幾率就越小,原子核自發裂變的平均壽命τ就越長,圖2給出了幾種重核的自發裂變半衰期 t┩(約0.693τ)。從圖上可見裂變幾率變化的總趨勢是隨Z/A(Z是原子核的電荷數,A是質量數)的增加而迅速增加,和液滴模型的預測一致(見後面裂變理論部分)。

核裂變核裂變

重核又可能受到外來因素的影響而激發,當激發能超過裂變勢壘時,就有比隧道效應大得多的幾率越過勢壘發生裂變,這就是感生裂變。對于感生裂變,發生裂變的幾率大小可用裂變截面(核反應核反應截面)來衡量。對于低能中子引起的裂變,偶偶核與奇A核(見原子核)的情況有顯著的差別。圖3是奇A核鈾-235和偶偶核鈾 -238的中子裂變截面曲線。可以看到,隻有當中子能量超過1MeV時,才能使鈾-238裂變,這樣的裂變稱為有閾裂變,而鈾-235卻沒有這個限製。這是由于偶偶核俘獲熱中子後形成的復合核的激發能低于裂變勢壘,隻有當入射中子能量足夠高時,才能超過勢壘;奇A核吸收一個中子的結合能較大,即使是熱中子入射,形成的復合核的激發能也已超過了裂變勢壘的高度。這就是為什麽隻有鈾-233 、鈾-235、鈈-239等奇A核才能做核燃料的主要原因。

裂變產物

重核在裂變時生成的核,在釋放瞬發中子前,稱為裂變碎片,釋放瞬發中子後的核稱為裂變產物,裂變產物又可分為未經β衰變的初級裂變產物和經過一次以上β衰變的次級裂變產物。β衰變不影響核的質量數,因此在討論裂變產物的質量時不必區分這兩種情況。

實驗上可以用下述方法來確定裂變碎片的質量分布;即同時測兩個碎片的動能(或速度),再按能量守恆定律、動量守恆定律加上發射中子的校正,計算碎片的質量。為了確定釋放中子後的裂變產物的質量分布,即產額曲線,常通過用放射化學方法進行元素分離,測量它的標識放射性射線能量及半衰期(見放射性)來確定。

鈾-235中子裂變產物的質量分布如圖4。在圖上可以看到存在著兩個峰,這是因為裂變後幾率最大的質量分配不是均分(稱為對稱裂變),而是一個較重一個較輕(稱為不對稱裂變)。釷、鈾等以及更重的核(一直到鐨-256)在低激發能條件下,不對稱裂變佔優勢。這是一個很突出的現象。裂變核的質量數增加時,重碎片峰的位置固定不變(A≈140),而輕碎片峰的位置向高質量移動。另外,隨著激發能的增加(例如入射粒子能量增高時),對稱裂變的成分逐漸上升。對于鉍等比較輕的核素,對稱裂變佔優勢,其碎片的質量分布隻有一個峰。處在中間的核素(鐳、錒)裂變時,質量分布出現三個峰,可以看出這是一種過渡狀態。另一方面,鐨-257熱中子裂變時,又是對稱裂變佔優勢。長期以來解釋對稱和不對稱裂變的問題是裂變理論上的一個重大難題,迄今還沒有得到公認的理論上的定量解釋,但看來與原子核的殼效應有密切關系。

核裂變核裂變

核裂變所形成的某一給定質量的初級裂變產物大部分是一些很不穩定的豐中子同質異位素(稱為質量鏈)。其中不同電荷Z裂變產物的產額P(Z)服從高斯分布:

公式公式

式中C是與質量、電荷無關的常數,Zp是該質量鏈中最可幾電荷數(在此一般趨勢上還有奇偶效應,Z為偶數時產額比Z為奇數時大)。

碎片分開時,由于庫侖斥力,可以具有很大的動能,例如熱中子導致的鈾-235裂變,碎片的平均動能可達170MeV左右,佔了裂變釋放的總能量80%以上。在不少情況下,不同方向飛出的碎片數依賴于出射束與入射束的夾角,即角分布出現各向異性。通過對碎片角分布的研究,可以進一步了解裂核變機製。實驗表明:裂變碎片角分布與入射粒子的能量和自旋有密切關系,也與裂變核本身的質量、電荷和自旋有關。

裂變中子

原子核裂變時發射出來的中子分瞬發中子和緩發中子兩類,瞬發中子佔絕大部分,其中主要又是從碎片蒸發出來的;緩發中子隻佔很小的份額(千分之幾)。

① 瞬發中子的能量分布很寬,從零一直延伸到15MeV左右,主要部分在0.1~5MeV區域。其能譜可用麥克斯韋譜來近似描述,即:

公式公式

式中TM是麥克斯韋分布的一個參量,等于中子平均能量唣的

公式公式

倍。鈾-235熱中子裂變的裂變中子譜的峰在0.8MeV附近,平均能量在2MeV左右。緩發中子也具有連續能譜,其平均能量在1MeV以下。

即使是同樣的核在同樣條件下裂變,每次裂變事件發射的中子數也不固定。有的不發射中子,多數發射兩三個中子,最多可有七八個。其平均值(不是整數)稱為平均裂變中子數尌。當裂變核的激發能增加時,尌隨之增加;一般地說,在裂變核的原子序數或質量數增加時,尌也隨之增大。尌的大小,對鏈式反應裝置的臨界條件起關鍵作用(見裂變反應堆)。在反應堆計算中,有時使用另一個參量,即燃料核素每吸收一個中子相應發出的平均裂變中子數。這個參量稱為有效裂變中子數,用尌eff或η表示。它與尌的關系為:

式中σf和σA分別為裂變截面和總吸收截面。

② 緩發中子所佔份額雖然很小,但在慢中子裂變反應堆的控製上卻起著重要作用。

裂變理論

關于裂變的全現象尚無為人們普遍接受的完整統一的理論,但是,關于裂變的各個方面,則已發展了一些較成熟的理論模型。

裂變勢能曲面的計算

最初是套用液滴模型的方法。即把原子核看成均勻帶電的不可壓縮的液滴,用一組形變參量描寫核的各種形狀,原則上可以計算出各種變形下的勢能。在得出的勢能曲面(多維空間的曲面)上沿著能量最低的谷底,可以畫出裂變的"途徑",並求出勢壘的各參量。在這個模型中,原子核的Z/A是一個關鍵的量,它反映了質子之間庫侖相互作用能量與核子之間核力相互作用的表面能量之比。Z/A越大,裂變勢壘就越低,自發裂變幾率也越大,這是和實驗測定的半衰期的變化趨勢一致的。

液滴模型雖有不少成功之處,但它不能解釋低激發能裂變中不對稱裂變優先等一些重要現象。為了改進這種模型,斯特魯金斯基引入了把液滴模型和殼層模型巧妙結合起來的"巨觀-微觀混合模型"。按照這種模型,原子核的勢能分為平滑部分和漲落部分兩項之和。

第一項是按液滴模型計算的值;

第二項是殼校正項,即在按殼層模型算出的能量值中,減去假設的把費密面附近的能級加以展寬、能級密度加以平滑化而算得的能量值。

對于從鈾到錇的核素,由于殼校正的加入,原來的單峰裂變勢壘變成了雙峰勢壘,出現了中間勢阱。這種理論能夠滿意地解釋60年代發現的自發裂變同質異能素及壘下裂變共振成群("中間結構")現象等實驗事實。

裂變道理論

一個變形的原子核除了單粒子運動外,還存在集體振動和轉動,這些運動方式是互相耦合的(見綜合模型)。考慮激發能超過裂變勢壘不太多的情況。當核從復合核態過渡到鞍點態時,處在鞍點上的原子核是一個大變形核。由于激發能轉化成了核的形變能,盡管在復合核態時激發能相當高,到鞍點時,激發能就很低了,或者說,核變冷了。因而可以認為鞍點的核與通常的小形變的冷核相似,也具有一組轉動和振動能級。這些能級各有特定的量子數 (JπK;K是總角動量J在核對稱軸上的投影,π宇稱)。原子核在裂變時要保持這些量子數守恆,到達鞍點的核隻能佔據具有一定JπK能級,這些能級就形成了核通向裂變的通道,稱為裂變道。裂變道理論很好地解釋了碎片角分布各向異性的現象。

裂變幾率的計算

這是裂變理論中發展較早的一部分,可以分為自發裂變和感生裂變幾率的計算兩部分。關于自發裂變,人們可以仿照α衰變採用量子力學隧道穿透理論。但是由于裂變勢能曲面是一個多維的曲面,相應的質量參量又必須用微觀理論來計算,所以實際上僅在極少數情況下進行過比較認真的計算,結果也有很多不定因素。但是人們利用這種概念作了一些系統學的工作,表明大致趨勢是不錯的。

關于感生裂變,感興趣的是在給定的核激發能E下,發生裂變的幾率。這個問題N.玻爾和J.A.惠勒早在1939年,就在平衡統計的假設下計算過了。據此假設核處在鞍點的幾率為ρf(E-Ef-Ek)/ρo(E),式中ρ0及ρf分別為處于基態形變及鞍點總形變時核的能級密度,Ef及Ek分別為核鞍點勢壘高度和集體運動動能,設集體運動也服從平衡統計分布,則單位時間裂變幾率為:

這個公式雖然一直為人引用,但難以嚴格從實驗上驗證,因為ρf既難在理論上進行可靠的計算,又無裂變以外的實驗可加以測定。對ρf的粗略的理論估計表明,在激發能不高的情況下這個公式大體上是可用的。

裂變機製的模型

是裂變理論中最困難和最不成熟的部分,僅作簡單的介紹。

① 最早發展的是一種流體力學模型,認為在裂變過程中,核的形變服從經典流體力學的規律。一個三維液滴的運動也是很難計算的,實際上隻能對形變加以嚴格的限製,在引入適當的粘滯性後,這種理論能給出碎片的平均動能。以及較輕的核裂變對稱質量分布。

② 關于低能裂變現象,也可以直接用量子力學的含時間的自洽場方法來計算,這種微觀理論也取得了一些進展,不過與系統地解釋各種裂變現象還有很大距離。

③ 裂變統計模型認為,從鞍點下降到剪裂點的運動足夠快,或裂變核集體運動自由度與單粒子自由度之間耦合足夠強,以致集體運動的能量可以轉化為粒子內部自由度的能量。在這種前提下,可以假定,在剪裂點處存在統計平衡。不同的斷裂組態(斷裂組態由兩個即將產生的碎片的質量、電荷、形變及動能來表征)的相對幾率正比于本組態的能級密度。根據這樣的考慮,可以計算出碎片的質量分布。統計理論在原則上也可以預言裂變的其他許多特徵。實際計算時要採用可調參量,在加上殼效應之後,裂變的許多圖像看來是與統計理論定性相符的。但是由于統計平衡的假設本身根據不足,計算中又引入了過多的參量,這種理論也不成熟。

④ 發展了一種非平衡的統計理論,這種理論認為裂變過程是由于形變運動與粒子自由度耦合,沿勢能曲面所做的半無規的遷徙運動。核的形變幾率的變化由輸運方程所決定,這種理論的計算難度很大,尚無可靠的定量結果。總之,如何從理論上有效地處理這種大形變的集體運動,是一個尚待進一步探討的課題。

主要套用

核電站核子彈是核裂變能的兩大套用,兩者機製上的差異主要在于鏈式反應速度是否受到控製。核電站的關鍵設備是核反應堆,它相當于火電站的鍋爐,受控的鏈式反應就在這裏進行。核反應堆有多種類型,按引起裂變的中子能量可分為:熱中子堆和快中子堆。熱中子的能量在0.1eV(電子伏特)左右,快中子能量平均在2eV左右。運行的是熱中子堆,其中需要有慢化劑,通過它的原子與中子碰撞,將快中子慢化為熱中子。慢化劑用的是水、重水或石墨。堆內還有載出熱量的冷卻劑,冷卻劑有水、重水和氦等。根據慢化劑和冷卻劑和燃料不同,熱中子堆可分為輕水堆(用輕水作慢化劑和冷卻劑稍加濃作燃料)、重水堆(用重水作慢化劑和冷卻劑稍加濃鈾作燃料)和石墨水冷堆(石墨慢化,輕水冷卻,稍加濃鈾),輕水堆又分壓水堆和沸水堆。

發展歷程

核裂變是在1938年發現的,由于當時第二次世界大戰的需要,核裂變被首先用于製造威力巨大的原子武器--核子彈。核子彈的巨大威力就是來自核裂變產生的巨大能量。人們除了將核裂變用于製造核子彈外,更努力研究利用核裂變產生的巨大能量為人類造福,讓核裂變始終在人們的控製下進行,核電站就是這樣的裝置 。

聚焦核裂變聚焦核裂變

1934年,E.費米等人用中子照射鈾,企圖使鈾核俘獲中子,再經過β衰變得到原子序數為93或更高的超鈾元素,這引起了不少化學家的關註。在

1934~1938年間,許多人做了這種實驗,但是不同的研究者得到了不同的結果,有的聲稱發現了超鈾元素,有的卻說得到了鐳和錒。

1938年,O.哈恩和F.斯特拉斯曼做了一系列嚴格的化學實驗來鑒別這些放射性產物,結論是:所謂的鐳和錒實際上是原子量遠比它們為小的鑭和鋇。對這種現象,隻有假設原子核分裂為兩個或兩個以上的碎塊才能給予解釋。這種分裂過程被稱為裂變。

1939年L.邁特納和O.R.弗裏施首先建議用帶電液滴的分裂來解釋裂變現象。同年N.玻爾和J.A.惠勒在原子核液滴模型和統計理論的基礎上系統地研究了原子核的裂變過程,奠定了裂變理論的基礎。

1940年,K.A.彼得扎克和Γ.Η.弗廖羅夫觀察到鈾核會自行發生裂變,從而發現了一種新的放射性衰變方式──自發裂變。

1947年,錢三強等發現了三分裂(即分成三個碎片,第三個可以是 α粒子,也可以是和另外兩個碎片質量相近的碎片)。

1955年,A.玻爾根據原子核的集體模型提出了裂變道的概念,把裂變理論推進了一步。1962年,С.М.波利卡諾夫等發現了自發裂變同質異能態。

1967年,B.M.斯特魯金斯基提出了在液滴模型基礎上加殼修正的 "巨觀-微觀"方法,導出了雙峰裂變勢壘,這是裂變研究史上的又一新成果。

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