六、重核的裂变

重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平均结合能小。因此，重核分裂成中等质量的核时，会有一部分结合能释放出来。这是释放原子核能—— 原子能的一种重要方法。这种核反应叫做裂变。

一、铀核的裂变

重核的裂变是在本世纪三十年代末期用中子轰击铀核时发现的。铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（Xe）和锶（Sr），有时裂变为钡（Ba）和氮（Kr）或锑（Sb）和铌（Nb），同时放出 2 ~ 3 个中子，铀核还可能分裂成三部分或四部分，不过这种情形比较少见。

铀核的裂变过程，可以用下面的示意图来说明（图 9–12）。

当中子打进铀 235 后，就形成处于激发状态的复核，复核中的核子由于激烈运动，使核变成不规则形状，核子间的距离增大。由于核力只在极短距离内发生作用，当核子间距离增大时，核力迅速减小，因而不能克服质子间的库仑斥力使核恢复原状，核就分裂成两部分，同时放出几个中子。轴核裂变的许多可能的核反应中的一个是：

²³⁵₉₂U + ¹₀n→¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n

在这个反应中释放的能量可以计算如下：

反应过程中质量减少 ∆m = 0.2153u，反应中释放的能量

∆E = ∆m·c² = 201 兆电子伏

在不同的反应中，铀核释放的能量也不同。如果按照一个铀核裂变时放出 200 兆电子伏的能量来估算，1 千克铀全部裂变时放出的原子能就相当于 2500 吨优质煤完全燃烧时放出的化学能。

二、链式反应

铀核裂变时，同时放出 2 ~ 3 个中子，如果这些中子再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应（图 9–13）。

在天然铀中，主要有两种同位素，其中 99.3% 是铀 238，0.7% 是铀 235。这两种铀跟中子的作用很不相同。铀 235 俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的几率较大，铀 238 只有俘获能量大于 1 兆电子伏的中子才可能发生裂变，并且几率很小，它俘获能量低于 1 兆电子伏的中子时不发生裂变，而变成铀 239。能量低于 1 电子伏的中子跟铀 238 基本上只发生弹性碰撞，不引起核反应。因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用纯铀 235。

铀块的体积对于产生链式反应也是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。

如果铀 235 的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。

三、核反应堆

核反应堆是用人工控制链式反应的装置。原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。

图 9–14 是原子反应堆的示意图，反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀（其中铀 235 的含量比天然铀高）。由于裂变产生的是速度很大的快中子，很容易被铀 238 俘获而不发生裂变，所以必须设法使中子在碰上铀 238 前降低速度。为此在铀棒的周围放上原子量比较小、又不吸收或很少吸收中子的物质，如石墨、重水或普通水（普通水吸收中子的几率较大，但可用在用浓缩铀做原料的反应堆中），快中子跟这些物质的原子核碰撞后，能量减小，变成慢中子。这种用来使中子减速的物质叫做减速剂。速度跟热运动速度差不多的慢中子（能量约为 1/40 电子伏）叫做热中子。热中子碰到铀 238 时会弹射回来，却容易被铀 235 俘获而引起裂变。为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，使镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应速度就可以增大。这种镉棒叫做控制棒。用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆保持一定的功率安全地工作。

反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高，为了控制反应堆的温度，使它能正常工作，需要用水、液体金属钠或空气等流体作冷却剂，在反应堆内外循环流动，不断地带走热能。这就是反应堆的冷却系统，它同时可以用来输出热能。

为了防止铀核裂变物放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来，对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入深地层进行处理。

利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。图 9–15 是核电站示意图。核电站消耗的“燃料”很少。一座一百万千瓦的核电站，每年只消耗 30 吨浓缩铀，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗 250 万吨煤。目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同，到 1983 年底、核发电已占世界发电总量的 12%。为了适应我国现代化建设对能源日益增长的需要，在广东、浙江、江苏、辽宁等省正在建造核电站。

原子能反应堆不仅可以提供强大的原子能，而且它产生的大量中子还可以用来进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素。

利用原子能反应堆还可以生产新的核燃料，从实验知道，快中子被铀 238 俘获后，变成铀 239，铀 239 是不稳定的，经过两次 β 衰变后变成钚 239。钍 232 与中子作用后，经过两次 β 衰变后变成铀 233，钚 239 和铀 233 的性质跟铀 235 一样，很容易俘获中子而发生裂变，因此也可以作为供裂变用的核燃料。因此，如果在反应堆中装入铀 238 或钍 232，并设法使每一次核裂变能够产生一个以上的钚 239 或铀 233，那么，我们就可以使新产生的核燃料多于消耗的核燃料，使铀 238 和钍 232 也可以得到利用，这种反应堆叫做增殖反应堆，地球上的铀 238 和钍 232 的总量大约是铀 235 的 800 倍，建造增殖反应堆可以利用铀 238 和钍 232，更有效地利用核资源。增殖反应堆虽然处于试验阶段，但从长远来看是很有前途的。

发布时间：2025/8/19 下午2:20:45  阅读次数：262