第三节重核裂变与原子弹

第三节重核裂变与原子弹

奇妙的核裂变链式反应

原子核的裂变就是重原子核通过核反应分裂成两个或几个中等质量的原子核，并同时释放出大量的能量的过程。

1938年，人类终于完成了科学史上的一大创举，用不带电的中子作为“炮弹”去轰击铀原子核，结果使铀核“一分为二”，变成两块质量差不多大小的两个新原子核及几个中子，同时能放出巨大的能量。核反应为

后来，科学家发现，用中子去轰击铀原子核，铀核分裂的同时会产生两三个新的中子，新产生的中子又会引起新的铀核裂变。

这样，一变二，二变四，四变八，发展下去，即产生裂变的链式反应，从而释放出巨大的能量，链式反应一旦发生就能持续进行下去，正像是星星之火可以燎原，点着的干柴能够熊熊燃烧一样，核裂变的链式反应开辟了释放能量的途径。德国化学家奥托·哈恩首先发现了重核裂变反应，因此被授予1944年诺贝尔化学奖。

核裂变反应进行的速度是极快的，如果任其自然发展，一块铀在百万甚至千万分之一秒的瞬间就会燃烧完毕，形成威力极大的核爆炸。

1945年爆炸的第一颗原子弹就是根据这个原理制成的。为了控制核裂变反应进行的速度，科学家们研制了一种人工控制反应的装置——核反应堆。

链式反应的控制——核反应堆

核反应堆是核电站的心脏。核反应堆有许多种类，按照引起核裂变的中子的能量来分类，可分为慢中子反应堆（通常称热中子反应堆）和快中子增殖堆。所谓热中子是指被慢化剂慢化后，其平均动能ε＝k_BT＝0.025eV（T＝300K，k_B为玻耳兹曼常数）的中子，速度为2200m/s。而快中子的能量一般大于几十万电子伏特。

1.热中子反应堆

热中子反应堆简称“热堆”，它是依靠速度大为减慢了的，而又处于在热运动情况下的热中子轰击铀－235原子核，使其发生链式裂变反应的。热堆又分为轻水堆、重水堆和高温气冷堆等。轻水（普通水）堆又分为压水堆和沸水堆。

在热中子反应堆内装有专门用来减慢中子速度的慢化剂——水或者石墨等，反应堆里所产生的裂变能通常是用冷却剂带出堆芯的，冷却剂多为普通水、重水、二氧化碳和氦气等。目前，世界上多数核电站用的反应堆都是热中子反应堆，其中压水堆技术最成熟，因而它是世界上核电站采用最多的堆型，占全世界总装机容量一半以上。

我国大亚湾核电站的反应堆就是压水堆。它是用轻水作为中子慢化剂、冷却剂，工作时水被加压到15MPa的压力，故称为压水堆。在压水堆中，水在15MPa的高压下工作，水的沸点变为340～350℃，水温度可以超过330℃而不会沸腾、不产生蒸汽，堆芯出口处水温度一般是310～330℃。

高温气冷堆也是比较先进的一种堆型，它是以惰性气体氦作冷却剂，以石墨作慢化剂。由于石墨耐高温、氦气传热性好，因此高温气冷堆氦气的出口温度可高诀750～1000℃，所以高温气冷堆的一个重要应用可能在于能够提供高温热源，如可以为钢铁、燃料、化学工业提供高温热能等。目前，世界上还没有上规模的高温气冷堆核电站，我国清华大学已建成了一座10MW的高温气冷实验堆。美国和德国也建造了几座高温气冷堆。

2.第二代核电反应堆

快中子增殖反应堆，简称快堆，是一种正在开发的第二代新型先进反应堆，与普通反应堆相比，其先进性主要体现在“快”和“增殖”上。我们知道，铀－235一次裂变时可以产生两三个中子，而维持链式反应只要1个快中子就够了，其余的一两个快中子可以让铀－238吸收，使大部分铀－238变成钚－239，结果每发生1个铀－235的裂变就可以产生一个以上的钚－239（也是一种核燃料），所以使核燃料得到了增殖，增殖比一般在1.1～1.4之间。一座快堆核电站在5～15年的时间里，所增殖的核燃料就可和起初投入的燃料一样多，使燃料的数量翻了一番。

另外，快堆中不用慢化剂，引起铀－235（或钚－239）裂变的主要是能量为几十万电子伏特的快中子。此外，快堆可使锕系元素（核裂变中产生的一种长寿命放射性废料）作为燃料在堆中烧掉，变成一般的裂变产物，解决了裂变核能的后顾之忧。快堆还具有自稳性能，即在失流、失热阱或功率瞬变的情况下，反应堆可以靠自身的负反应性温度系数停堆，安全性进一步提高。

热堆是以铀－235作为裂变燃料的，而在天然铀中，铀－235还占不到1%，现已探明的有开采价值的天然铀约400万吨。若以热中子堆发电，每生产10亿度电，要消耗天然铀约20t，按目前的消耗水平，可开采的铀只够用几十年至一百年，因而热堆的发展最终还要受核燃料来源的制约。

若用快中子增殖反应堆发电，则可利用铀－238、贫铀及钍－232作能源，它们的储量非常多，可供人类使用成千E万年，展示了裂变核能发展的灿烂前景。

原子弹

原子弹是利用裂变材料铀－235或钚－239的链式裂变反应原理制成的核武器。

它的基本原理是利用化学炸药使处于次临界状态的裂变物质突然达到超临界状态，致使链式反应迅速扩大而产生核爆炸。

原子弹中裂变材料由次临界状态到超临界状态的转变可以通过“枪法”和“内爆法”两种方法获得。“枪法”是把两块或多块裂变物质靠炸药压拢在一起而达到超临界的方法；“内爆法”是利用炸药产生的内聚冲击波去压缩处于次临界状态的裂变材料，使其密度急剧增高，达到超临界状态。由于内爆法可少用裂变材料，因而被普遍采用。

高级炸药内爆驱动、以核装料进行压缩，是原子弹物理设计的最关键部分，历时约几十微秒；从中子点火到链式反应熄灭是其“释能过程”，历时约微秒量级。

美国在1945年8月投到日本长崎的原子弹就是一颗内爆法的钚弹。我国在1964年10月成功试爆的第一颗原子弹采用的也是内爆法，它表明我国在当时已建立了完整的核工业体系，从铀矿的开采、冶炼到铀同位素的分离都能独立自主地进行。

贫铀与贫铀弹

第二次世界大战后期，美国在日本的广岛和长崎投下两颗原子弹，造成20多万人伤亡。从那以后，人们谈核色变，在全世界掀起了反对核战争的浪潮。但是，在海湾战争中多国部队向伊拉克发射了数万颗放射性贫铀弹，造成严重的危害。最近，贫铀弹又扔向了巴尔于的科索沃及阿富汗，再一次引起了世人的关注。

贫铀是铀浓缩过程中作为尾料产生的副产品。每产生1t反应堆级的浓缩铀就会产生4.5t贫铀；每产生1t核武器级的浓缩铀则会产生更多的贫铀，贫铀的化学性质十分活泼；密度与金、钨差不多，比铅大65%；熔点是1132℃；抗张度可与大部分钢和某些高强度钢相当。由这种高密度、高强度贫铀合金制成的高速运动物体在与其他物体发生碰撞时具有极强的穿透力，从而被美国用于制造弹壳。另外，铀是一种放射性的剧毒物质，一旦进入人体内，对人体各器官、特别对肾造成损害，最终导致各种恶性肿瘤、儿童先天性残疾等发病率激增，留下巨大的战争后遗症。由此可见，战争中使用放射性贫铀弹，不但危害军人，也使到过战场的平民百姓生活受到威胁，从这一点来说，战争没有胜利者，只有受害者。正如一位著名学者所说：“核技术用于和平事业，将造福于人类；核技术用于战争，将毁灭世界。”