鏈式反應: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(fā)生熱烈解作用從而產(chǎn)生自由基。自由基是一種高度活潑的化學形態(tài)，能與其他的自由基和分子反應，而使燃燒持續(xù)進行下去，這就是燃燒的鏈式反應。 在物理學中,鈾核裂變的假說一經(jīng)提出，所有的物理實驗室立刻沸騰起來了，對這一現(xiàn)象展開了緊張的研究。在不到一年的時間內(nèi)，所發(fā)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(nèi)，不但搞清楚了核裂變的基本特性，并且揭示了這一發(fā)現(xiàn)的深刻意義。 鈾核吸收一個中子以后，按三十多種不同的方式發(fā)生裂變，生成的碎片又發(fā)生一系列的β衰變，因此，一共產(chǎn)生三十多種元素的近三百種同位素。難怪費米、伊倫·居里、哈恩等當時第一流的科學家都被這種現(xiàn)象迷惑了那么長的時間。 旁圖所示是鈾235裂變碎片的質量分布曲線。從圖中可以清楚地看到，分布曲線有兩個峰，一個在質量數(shù)95附近，一個在質量數(shù)138附近。雙峰曲線表示，鈾核裂變時，絕大部分是不對稱裂變，對稱裂變的幾率是很小的(質量數(shù)118附近)。這種不對稱裂變，在裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后不久就通過各種實驗方法得到確證，但是在核理論已經(jīng)取得巨大進展的今天，這種不對稱裂變的原因，依然是一個謎。 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(fā)生的幾率很小，只有千分之幾。這種所謂“三裂變”現(xiàn)象，是我國著名核物理學家錢三強、何澤慧夫婦于1946年首先發(fā)現(xiàn)的。三裂變的幾率雖然很小，但由于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(fā)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(wěn)定狀態(tài)。由于這個緣故，大多數(shù)裂變產(chǎn)物通常都是β放射性同位素。為什么核裂變產(chǎn)生的碎片通常是中子過剩的呢?為什么不是缺少中子或中子數(shù)與質子數(shù)正合適呢? 我們知道，原子核是由質子和中子(統(tǒng)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(nèi)，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(nèi)的。另外質子間還存在靜電斥力，隨著原子序數(shù)的增加，即隨著原子核內(nèi)質子數(shù)的增加，靜電斥力也增大。因此，為維持核的穩(wěn)定性，需要更多的過剩中子所產(chǎn)生的核力來平衡這一斥力。因而，穩(wěn)定原子核的核內(nèi)中子數(shù)和質子數(shù)的比值，隨著原子序數(shù)的增加而變大。例如輕元素碳、氧等的中子數(shù)與質子數(shù)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(shù)和質子數(shù)之比若小于或大于相應的合適比值，都將是不穩(wěn)定的。 對于鈾核裂變的情況來說，鈾的中子數(shù)與質子數(shù)之比約為1.6，那么，生成的碎片的中子數(shù)與質子數(shù)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(shù)與質子數(shù)之比為1.3左右時才是穩(wěn)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(shù)與質子數(shù)之比降到1.3左右，從而達到穩(wěn)定狀態(tài)。 不過由此也自然會產(chǎn)生這樣的問題:在鈾核裂變的過程中，是否會有一些過剩的中子不留在碎片內(nèi)，而直接以自由中子的形式發(fā)射出來呢?這個重要問題曾由許多科學工作者加以研究，結果表明，鈾核裂變時確實會放出一些自由中子，這些中子通常叫做次級中子。在講述這一事實所蘊含的巨大意義之前，我們先來看一看另一個重要的事實:在鈾核裂變放出次級中子的同時，還會釋放出巨大的能量，請看下面的計算: 假定鈾235吸收一個中子后，裂變成一個溴85核和一個鑭148核，同時放出三個中子。鈾235的質量為235.124，溴85的質量為84.938，鑭148的質量為147.96，中子的質量為1.009。 因此裂變前的質量總和為:235.124+1.009=236.133; 裂變后的質量總和為:147.96+84.938+3×1.009=235.925; 裂變過程中質量的減少為:236.133-235.925=0.208。 這些損失的質量到哪兒去了呢?根據(jù)愛因斯坦相對論可知，它們變成了能量。愛因斯坦推導出一個著名的質能轉換公式:E=mc2，其中c是光速(約等于每秒30萬公里)，m是靜止物體的質量，E是靜止物體所含的能量。由這個公式可以方便地計算出鈾核裂變放出的能量約為194兆電子伏。近似地說來，每次裂變大約釋放200兆電子伏的能量。 這個數(shù)值是非常巨大的，比如說，1克鈾235完全裂變所釋放的能量，相當于2,000,000克(2噸)優(yōu)質煤完全燃燒時所釋放的能量。也就是說，裂變能大約要比化學能大二百萬倍! 鈾核裂變時，一是放出中子，二是放出巨大的能量，這兩種可貴的性質緊緊地吸引著人們的注意力。人們特別感興趣的是每次裂變究竟能放出多少個中子，因為這關系到究竟能否實現(xiàn)鏈式反應，也就是關系到能否在實際利用原子能方面開辟一條道路的問題。 經(jīng)過許多科學工作者的努力，很快就確定了每個鈾235核發(fā)生裂變時平均約放出2.5個中子。大自然為我們作了這-具有特殊意義的安排:次級中子數(shù)大于1!從而使鈾核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)成為不平凡的發(fā)現(xiàn)。如果每次裂變產(chǎn)生的平均次級中子數(shù)小于1的話，那么這一發(fā)現(xiàn)的價值和我們對它的興趣就完全不同了。 一個鈾核在一個中子作用下發(fā)生裂變，如果裂變時放出兩個次級中子，這兩個次級中子又引起兩個鈾核發(fā)生裂變，放出四個次級中子，這四個中子再引起四個鈾核發(fā)生裂變……。如此下去，反應的規(guī)模將自動地變得越來越大，一幅鈾核鏈式反應的圖景，立即展現(xiàn)在我們面前，它吸引了多少科學家啊! 確實，科學家們?yōu)閷崿F(xiàn)核裂變鏈式反應，使之造福于人類，而付出了巨大的勞動，現(xiàn)在讓我們從理論上先分析一下實現(xiàn)鏈式反應的條件。中子是實現(xiàn)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(xù)地進行下去，就必須使中子的數(shù)目至少不隨時間而減少。 我們通常把體系中某一代中子數(shù)與上一代中子數(shù)之比稱為中子增殖系數(shù)，用k表示。當k=1時，體系中的中子數(shù)目保持不變，鏈式反應以恒定的速率持續(xù)進行，這種狀態(tài)稱為臨界。k＞l時，中子數(shù)目將越來越多，鏈式反應的規(guī)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(shù)目逐漸減少，鏈式反應規(guī)模越來越小，直至最后停息。 天然鈾中主要含有鈾235和鈾238兩種同位素，前者約占0.72%，而后者約占99.27%。經(jīng)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只有在能量大于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后者。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(nèi)，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(shù)目增加;二是從體系的表面泄漏出去，損失掉。因此，對于這樣的體系，只要由裂變增加的中子數(shù)不小于泄漏損失的中子數(shù)，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;其余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(shù)值，每次裂變平均產(chǎn)生2.46個中子。因此一共能放出2.46×41≈100個中子。這樣，該體系的中子增殖系數(shù)k=1，這就是說，鏈式反應能持續(xù)進行了。 如果泄漏出去的中子數(shù)多于49個，必然使k值小于1，鏈式反應就不能維持。而如果泄漏出去的中子數(shù)少于49個，這樣k值就大于1，鏈式反應的規(guī)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(chǎn)生則與體系中裂變物質的量，即與體系的體積成正比。對于一定形狀的體系，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(xiàn)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，當其直徑小于一定數(shù)值時，即使把高度無限加大，也不能使其達到臨界狀態(tài);同樣，當高度小于一定數(shù)值時，用加大直徑的辦法也無法使它達到臨界。對于一定的體積，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系。對于純鈾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，由于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(tài)，純粹由天然鈾組成的體系便屬于這種情況。 那么，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(nèi)中子的活動情況。由于這種體系除了鈾235外，還含有大量的鈾238，所以中子的活動情況要復雜一些。大致說來，可以分為以下四種情況: (1)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(shù)目增加。 (2)能量大于1.1兆電子狀的中子，被鈾238吸收，引起裂變，使中子數(shù)有所增加。 (3)能量小于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(shù)目減少。 (4)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(4)，只考慮前三種情況，這種沒有中子泄漏的體系相當于一個無限大的天然鈾體系。這樣，使中子數(shù)增加的是情況(1)和(2)，使中子數(shù)減小的是情況(3)。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(2)引起的中子數(shù)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(1)和(3)哪個是主要的了。在天然鈾中，鈾235只占一百四十分之一，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(1)將超過(3)，使增殖系數(shù)k大于1。 問題在于，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(qū)域內(nèi)，特別容易被鈾238吸收(稱為共振吸收)。結果k還是小于1，鏈式反應難以維持。因此，要維持鏈式反應，就要采取某種措施，使中子的速度迅速減慢，越過強烈吸收中子的共振吸收區(qū)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，由于兩者質量幾乎相等，乒乓球大約將會損失掉一半的動能。因此采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(yōu)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。 使用了慢化劑以后，大部分中子就迅速地被慢化成熱中子，從而使情況(3)減少，使情況(1)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(tài)。普通水也可用作饅化劑，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(4)，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(shù)只占很小的比例，以使k值大于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，那就更有利于鏈式反應的進行了。所以通常采用石墨作反射層。

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