裂變元素

裂變是指一個質量大的重原子核分裂成 為兩個或幾個其他原子核，同時可能放出中子的過程。這個過程可以是自發的，也可以是誘發的。裂變時能釋放出巨大能量，是取得原子能的一個途徑。裂變元素是指能發生裂變反應的元素，如鈾、鈽、釷這些元素。

基本介紹

• 中文名：裂變元素
• 外文名：fission element
• 學科：核物理
• 元素：鈾、鈽、釷
• 定義：發生裂變反應的元素
• 有關術語：核裂變

簡介

裂變元素簡單來說就是指能發生核裂變反應的化學元素，主要有釷232、鈾233、 鈾235、鈾238、鈽239、鈽240等數種。裂變元素按照它們的原子核是否易於裂變而分成兩類。當用任意能量的中子轟擊時，都能引起其原子核裂變的可裂變核素，稱為易裂變核素。用來轟擊可裂變核素原子核可以引起裂變反應的中子的能量是有所不同的；而對易裂變核素原子核，可用任意能量的中子來轟擊並引起其裂變。在實用中按照中子能量(也即中子速度)的大小把中子粗略地分成為快中子、中能中子和熱中子三種。

有關元素

鈾是自然產生的最重的金屬。呈銀白色，具有硬度強、密度高、可延展、有放射性等特徵。一般在鈾與氧、氧化物或矽酸鹽的結合中發現鈾。鈾原子能分裂釋放大量能量從而能產生電力，製造核武器。

釷是一種天然放射性金屬元素。因其貯量比鈾更豐富且不會產生鈽-239，故有可能被用作核反應堆的燃料。釷的氧化物(二氧化釷)是已知熔點最高的物質之一(3300℃)。它因加熱後會變白，故被用於製作煤氣燈的燈罩。原子序數90，原子量232.038，熔點1755℃，沸點4788℃。

鈽是最重要的超鈾元素。鈽(原子序數94)是人工生成的。在核反應堆里，天然鈾在一系列核反應下吸收中子而成。與構成天然鈾99.3%的鈾238同位素不同，最重要的鈽同位素 (鈽239)是可燃材料，可以用在核子彈里和用作核反應堆的原料。大量生產鈽並將它與鈾分離的工作開始於第二次大戰的末期，第一個含鈽的炸彈於1945年爆炸於墨西哥。快速增殖反應堆除供應能源外還同時產生過量鈽。

裂變反應

核裂變，簡單地說，就是一個重核裂變成兩到三個中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，且伴隨2~3 箇中子放出的現象。裂變反應是一個重原子核分裂為兩塊以上質量不同的較輕原子核的核反應。有自發裂變和感生裂變兩種。自發裂變是重核不穩定性的表現；感生裂變是重核受到中子、帶電粒子或光子轟擊時的分裂反應。核子彈就是根據感生裂變反應原理設計的。裂變時釋放的能量是相當巨大的，1千克鈾全部裂變釋放的能量超過2000噸煤完全燃燒時釋放的熱量。　1個鈾-235可能發生以下裂變：

U-235+n-1===Kr-89+Ba-144+3n
裂變平均產生2.4箇中子和215兆電子伏特的能量。裂變釋放能量是因為原子核中質量與能量的儲存方式以鐵及相關元素成核，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係上都是有利的。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，雖然在形成時需要輸入能量(取自超新星爆發)，但是卻是很穩定的。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。由於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，那么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)和用於發電的核反應堆(受控的緩慢裂變)的能量釋放過程。
對於核彈，鏈式反應是失控的裂變引發的爆炸，因為每個核的裂變引起臨近的幾個原子核的裂變。對於核反應堆，反應進行的速率用插入鈾(或其他放射性物質)中的可吸收中子的物質（一般用石墨和鎘棒）來控制，使得平均起來每個核的裂變正好引發另外一個核的裂變。　1千克鈾-235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300萬噸煤釋放的能量一樣多。

核裂變反應的結果生成幾個中等質量數的裂變碎片及其衰變產物。有很多可能核裂變方式，其絕大多數是分裂成兩個裂變碎片核。對於熱中子引起的235U的裂變來說，已發現了約30多種不同裂變方式，也即約有60多種裂變碎片。裂變碎片的質量數大都分布在72～158之間。幾乎所有的裂變碎片都是不穩定的，它們要經過一系列β及γ衰變。這樣在最終裂變產物中可能包括了有300多種不同核素的各种放射性及穩定核同位素。

裂變產物中有些核素有較長的半衰期或較強的放射性，這將給它們的運輸及最終安全儲存(見放射性廢物處置)都帶來一系列的特殊問題。這也是在利用裂變能量時必須考慮的重要問題之一。有些裂變產物如135Xe和149Sm都具有相當大的熱中子吸收截面，它們將會吸收反應堆內的熱中子，從而影響到反應堆的中子平衡。因此，對這些裂變產物的產生、衰變及消失的過程要加以認真研究。

有關背景

從十九世紀末到二十世紀初，科學家們連續不斷地對奇妙的原子世界進行了深入而又細緻的研究，並取得了很多偉大的成就。他們找到了比原子更小的電子；進一步發現了原子核的存在；通過精確測量，鑑別了同位素；對原子核的特性(包括核電荷、核質量和核體積等)進行了初步探索。1919 年盧瑟福成功地實現了人類有史以來第一次人工核反應，並從核反應的過程中觀察到了一種新的粒子—質子。從此人們不但知道在原子核中的確存在質子，而且通過核反應，人們也能夠把一種元素轉變成另外一種新元素。1932 年，查德威克通發現了中子，使科學家們能順利地擺脫當時有關原子核結構上某些假設的困境。德國物理學家海森堡提出了原子核是由質子和中子構成的學說。根據這一學說，就能容易地解釋周期表上各種元素的原子核構造。1934 年約里奧·居里夫婦用化學分析方法正確無誤地證實了人工放射性現象的存在，並從這一偉大發現中獲得了第一批人工放射性核素。人工放射性核素的發現，給原子核構造理論賦與了新內容。它告訴我們，除了自然界天然存在的放射性元素如釙、鐳等以外，還可利用 α 粒子、中子等去轟擊穩定元素，從而生產出多種的人工放射性核素。約里奧·居里夫婦的這一偉大發現為人工製造放射性核素開闢了十分廣闊的遠景。