鏈?zhǔn)椒磻?yīng):有焰燃燒都存在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)某種可燃物受熱，它不僅會(huì)汽化，而且該可燃物的分子會(huì)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(xué)形態(tài)，能與其他的自由基和分子反應(yīng)，而使燃燒持續(xù)進(jìn)行下去，這就是燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 在物理學(xué)中,鈾核裂變的假說(shuō)一經(jīng)提出，所有的物理實(shí)驗(yàn)室立刻沸騰起來(lái)了，對(duì)這一現(xiàn)象展開了緊張的研究。在不到一年的時(shí)間內(nèi)，所發(fā)表的有關(guān)核裂變的科學(xué)論文，總共達(dá)一百多篇，這在物理史上是沒有前例的。在很短的時(shí)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(gè)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(fèi)米、伊倫·居里、哈恩等當(dāng)時(shí)第一流的科學(xué)家都被這種現(xiàn)象迷惑了那么長(zhǎng)的時(shí)間。 旁圖所示是鈾235裂變碎片的質(zhì)量分布曲線。從圖中可以清楚地看到，分布曲線有兩個(gè)峰，一個(gè)在質(zhì)量數(shù)95附近，一個(gè)在質(zhì)量數(shù)138附近。雙峰曲線表示，鈾核裂變時(shí)，絕大部分是不對(duì)稱裂變，對(duì)稱裂變的幾率是很小的(質(zhì)量數(shù)118附近)。這種不對(duì)稱裂變，在裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后不久就通過各種實(shí)驗(yàn)方法得到確證，但是在核理論已經(jīng)取得巨大進(jìn)展的今天，這種不對(duì)稱裂變的原因，依然是一個(gè)謎。 鈾核裂變時(shí)，分裂成兩個(gè)碎片的情況是最常見的，也曾觀察到分裂成三個(gè)(甚至四個(gè))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(guó)著名核物理學(xué)家錢三強(qiáng)、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(shuō)明裂變機(jī)制，所以目前仍在對(duì)它進(jìn)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(zhuǎn)變成質(zhì)子，即通過一連串的β衰變而到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。由于這個(gè)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(zhì)子數(shù)正合適呢? 我們知道，原子核是由質(zhì)子和中子(統(tǒng)稱核子)組成的。核子之間存在一種很強(qiáng)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(qiáng)，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(zhì)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(zhì)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(lái)平衡這一斥力。因而，穩(wěn)定原子核的核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)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(zhì)子數(shù)之比為1，中等質(zhì)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(zhì)子數(shù)之比若小于或大于相應(yīng)的合適比值，都將是不穩(wěn)定的。 對(duì)于鈾核裂變的情況來(lái)說(shuō)，鈾的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比約為1.6，那么，生成的碎片的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比當(dāng)然也是1.6左右。但是裂變生成的是中等質(zhì)量的元素，它們?cè)谥凶訑?shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1.3左右時(shí)才是穩(wěn)定的。顯然，這些碎片是中子過剩的，必然會(huì)以β衰變的方式，使中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比降到1.3左右，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 不過由此也自然會(huì)產(chǎn)生這樣的問題:在鈾核裂變的過程中，是否會(huì)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(lái)呢?這個(gè)重要問題曾由許多科學(xué)工作者加以研究，結(jié)果表明，鈾核裂變時(shí)確實(shí)會(huì)放出一些自由中子，這些中子通常叫做次級(jí)中子。在講述這一事實(shí)所蘊(yùn)含的巨大意義之前，我們先來(lái)看一看另一個(gè)重要的事實(shí):在鈾核裂變放出次級(jí)中子的同時(shí)，還會(huì)釋放出巨大的能量，請(qǐng)看下面的計(jì)算: 假定鈾235吸收一個(gè)中子后，裂變成一個(gè)溴85核和一個(gè)鑭148核，同時(shí)放出三個(gè)中子。鈾235的質(zhì)量為235.124，溴85的質(zhì)量為84.938，鑭148的質(zhì)量為147.96，中子的質(zhì)量為1.009。 因此裂變前的質(zhì)量總和為:235.124+1.009=236.133; 裂變后的質(zhì)量總和為:147.96+84.938+3×1.009=235.925; 裂變過程中質(zhì)量的減少為:236.133-235.925=0.208。 這些損失的質(zhì)量到哪兒去了呢?根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論可知，它們變成了能量。愛因斯坦推導(dǎo)出一個(gè)著名的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式:E=mc2，其中c是光速(約等于每秒30萬(wàn)公里)，m是靜止物體的質(zhì)量，E是靜止物體所含的能量。由這個(gè)公式可以方便地計(jì)算出鈾核裂變放出的能量約為194兆電子伏。近似地說(shuō)來(lái)，每次裂變大約釋放200兆電子伏的能量。 這個(gè)數(shù)值是非常巨大的，比如說(shuō)，1克鈾235完全裂變所釋放的能量，相當(dāng)于2,000,000克(2噸)優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)所釋放的能量。也就是說(shuō)，裂變能大約要比化學(xué)能大二百萬(wàn)倍! 鈾核裂變時(shí)，一是放出中子，二是放出巨大的能量，這兩種可貴的性質(zhì)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(gè)中子，因?yàn)檫@關(guān)系到究竟能否實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，也就是關(guān)系到能否在實(shí)際利用原子能方面開辟一條道路的問題。 經(jīng)過許多科學(xué)工作者的努力，很快就確定了每個(gè)鈾235核發(fā)生裂變時(shí)平均約放出2.5個(gè)中子。大自然為我們作了這-具有特殊意義的安排:次級(jí)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(jí)中子數(shù)小于1的話，那么這一發(fā)現(xiàn)的價(jià)值和我們對(duì)它的興趣就完全不同了。 一個(gè)鈾核在一個(gè)中子作用下發(fā)生裂變，如果裂變時(shí)放出兩個(gè)次級(jí)中子，這兩個(gè)次級(jí)中子又引起兩個(gè)鈾核發(fā)生裂變，放出四個(gè)次級(jí)中子，這四個(gè)中子再引起四個(gè)鈾核發(fā)生裂變……。如此下去，反應(yīng)的規(guī)模將自動(dòng)地變得越來(lái)越大，一幅鈾核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的圖景，立即展現(xiàn)在我們面前，它吸引了多少科學(xué)家啊! 確實(shí)，科學(xué)家們?yōu)閷?shí)現(xiàn)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使之造福于人類，而付出了巨大的勞動(dòng)，現(xiàn)在讓我們從理論上先分析一下實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。中子是實(shí)現(xiàn)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的媒介，因此要使一個(gè)體系的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能持續(xù)地進(jìn)行下去，就必須使中子的數(shù)目至少不隨時(shí)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(dāng)k=1時(shí)，體系中的中子數(shù)目保持不變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以恒定的速率持續(xù)進(jìn)行，這種狀態(tài)稱為臨界。k＞l時(shí)，中子數(shù)目將越來(lái)越多，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的規(guī)模越來(lái)越大，這時(shí)稱為超臨界。而k＜1時(shí)則稱為次臨界，此時(shí)中子數(shù)目逐漸減少，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)規(guī)模越來(lái)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?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)際上只能利用天然鈾中含量極少的鈾235。 為簡(jiǎn)便起見，我們先來(lái)考慮一個(gè)由純鈾235構(gòu)成的體系。在這種體系內(nèi)，中子的命運(yùn)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(duì)于這樣的體系，只要由裂變?cè)黾拥闹凶訑?shù)不小于泄漏損失的中子數(shù)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)即能維持。 我們假定有一個(gè)純鈾235的體系，該體系中原有100個(gè)中子，其中49個(gè)從體系的表面泄漏出去而損失掉;其余51個(gè)被鈾235吸收，而其中又有10個(gè)不引起裂變(使鈾235轉(zhuǎn)變成鈾236，就維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而言，這也是一種損失)，只有41個(gè)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(gè)中子。因此一共能放出2.46×41≈100個(gè)中子。這樣，該體系的中子增殖系數(shù)k=1，這就是說(shuō)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能持續(xù)進(jìn)行了。 如果泄漏出去的中子數(shù)多于49個(gè)，必然使k值小于1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不能維持。而如果泄漏出去的中子數(shù)少于49個(gè)，這樣k值就大于1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的規(guī)模就越來(lái)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(zhì)的量，即與體系的體積成正比。對(duì)于一定形狀的體系，當(dāng)其尺寸(亦即質(zhì)量)增加時(shí)，體積的增加要比表面積的增加來(lái)得快，因而使中子的相對(duì)泄漏變小。由此可知，為實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(k=1)，存在一個(gè)裂變物質(zhì)的最小體積(或質(zhì)量)，這就是所謂臨界體積(或臨界質(zhì)量)。 顯然，臨界體積或臨界質(zhì)量與體系的幾何形狀有關(guān)。扁平或細(xì)長(zhǎng)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(duì)泄漏。以圓柱形體系為例，當(dāng)其直徑小于一定數(shù)值時(shí)，即使把高度無(wú)限加大，也不能使其達(dá)到臨界狀態(tài);同樣，當(dāng)高度小于一定數(shù)值時(shí)，用加大直徑的辦法也無(wú)法使它達(dá)到臨界。對(duì)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(zhì)量。 臨界質(zhì)量與體系的物質(zhì)組成當(dāng)然有很大的關(guān)系。對(duì)于純鈾235組成的球形體系，臨界質(zhì)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(zhì)含量太大，非裂變吸收太嚴(yán)重，即使把尺寸放大到無(wú)限大，也不能達(dá)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(dá)到臨界呢?有辦法。我們先來(lái)分析一下純粹由天然鈾組成的體系內(nèi)中子的活動(dòng)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(dòng)情況要復(fù)雜一些。大致說(shuō)來(lái)，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(dāng)于一個(gè)無(wú)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?zhǔn)椒磻?yīng)，只要這兩個(gè)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?yàn)槟芰看笞?.1兆電子伏的中子與鈾238碰撞時(shí)，只有很少一部分被吸收而引起裂變，大部分散射回來(lái)，損失掉部分能量。 這樣，能否維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就要看情況(1)和(3)哪個(gè)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(jī)會(huì)要比碰上鈾238的機(jī)會(huì)小得多。如果在同樣的碰撞機(jī)會(huì)下，對(duì)熱中子來(lái)說(shuō)(能量下降到周圍介質(zhì)原子平均動(dòng)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(duì)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(jié)果k還是小于1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)難以維持。因此，要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就要采取某種措施，使中子的速度迅速減慢，越過強(qiáng)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(dá)到這一目的。 我們來(lái)看一看物體碰撞減速的情況。當(dāng)一個(gè)較小的物體去碰質(zhì)量大的物體時(shí)，例如用乒乓球碰桌子時(shí)，乒乓球幾乎以原來(lái)的速度彈回來(lái)，動(dòng)能損失很小;而當(dāng)一個(gè)乒乓球去碰另一個(gè)乒乓球時(shí)，由于兩者質(zhì)量幾乎相等，乒乓球大約將會(huì)損失掉一半的動(dòng)能。因此采用原子核質(zhì)量與中子質(zhì)量相近的物質(zhì)作慢化劑，則慢化性能比較好。當(dāng)然還要求慢化劑對(duì)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(zhì)量只比中子重一倍，吸收中子的能力又很低。實(shí)際使用時(shí)，一般不用重氫氣體，因?yàn)樗拿芏忍?，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(jià)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(lái)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(dá)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(gòu)成臨界體系。 考慮到情況(4)，實(shí)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?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)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(lái)，那就更有利于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行了。所以通常采用石墨作反射層。

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