裂變反應

核裂變，是一個重原子的原子核分裂為兩個或更多較輕原子核、並在分裂時兩到三個自由中子並釋放巨大能量的過程。裂變時釋放的能量是相當巨大的，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。

基本介紹

• 中文名：裂變反應
• 英文名：fission reaction
• 套用：發電，動力，武器
• 危險性描述：核輻射高
• 能量計算方法：E=mc2
• 學科：原子能技術

概念

重原子核與中子相互作用時，原子核吸收了一個中子，生成一個複合核。由於中子具有結合能和動能，使它處於強烈的激發態，很不穩定。這種處於高激發態的複合核，或者以放出γ光子的形式退激，形成(n，γ)反應，或者是先形變，經進一步形變達“斷裂點”，從而分裂成兩個中等質量的碎片，這就是核裂變反應。

反應過程

當熱中子（它的動能跟常溫下氣體分子的動能差不多）進入一些具有奇數中子的重原子核（鈾-235，鈾-235，鈽-239）內時，裂變就可能發生。重核分裂時產生兩個較小的核和兩個或更多個中子。

（鈾-235平均產生2.5箇中子）以及許多能量。典型的核裂反應如有：

²³⁵U 10n—→¹⁴¹Ba ⁹²Kr 310n 能量

²³⁵U 10n—→¹⁰³Mo ¹³¹Sn 210n 能量

式中10n是中子。

從上面的核反應方程來看，同一種核可能不只按一種方式分裂。裂變產物如14156Ba和9236Kr還能放射β粒子（0－1e）和γ射線（00γ），直到最後變成穩定的同位素。

¹⁴¹Ba—→0－1e 00γ ¹⁴¹La

⁹²Kr—→0-1e 00γ ⁹²Rb

這些反應的產物還能繼續放出β粒子，在幾個步驟之後，變成穩定的同位素，分別為¹⁴¹Pr和⁹⁰Zr。

能裂變的²³⁵U在天然鈾礦中只占0.7%，其餘的99.3%都是不能被熱中子分裂的²³⁸U。反應堆里用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2～4%）製成的。裂變產生的是速度很大的快中子，很容易被鈾-235俘獲而不發生裂變，必須設法把快中子變為慢中子。因此，要在鈾棒周圍放上叫做減緩劑的物質，它們不吸收或很少吸收中子，使快中子跟它們碰撞後，能量減小，速度減緩。常用的減緩劑有石墨、重水和普通水。如果放出的快中子被減緩速度，它們就能引起其他重原子發生裂變，這些核放出9箇中子再引起9個鈾原子核裂變，這些裂變產生的27箇中子再產生81箇中子，……。這個過程叫做鏈式反應。在一定體積內，鈾樣品應具有足夠的量維持鏈反應，這最低的樣品量叫做臨界質量。

裂變釋放的能量

發生裂變時放出的巨大能量，可以按著名的愛因斯坦質能關係式E=mc²計算。這裡，E是來自一定質量m損失的能量，c是光速。如果使彼此分開的中子、電子和質子結合成任一特定的原子，就會發生質量虧損。例如，根據各組成粒子的質量能算出一個42He原子質量是4.032982u。而由42He原子的實測質量是4.002604u，所以質量虧損是0.030378u。由於原子比彼此分開的中子、質子和電子更穩定，原子處於較低的能級。因此，假定42He原子由分開的質子、電子、中子構成，則每個原子損失的0.030378u將以能量的形式釋放出來。跟質量虧損相當的能量叫做原子核結合能。結合能和鍵能類似，兩者都是把整體（原子核或分子）拆散成基本組分所需能量的量度。彼此分開的核粒子比它們在核內結合時有更大的質量。

原子序數在30～63之間的元素比起非常輕和非常重的元素，每個核粒子有較大的質量虧損，這意味著最穩定的核存在於原子序30～63的元素之間。由於它們相對穩定性較好，絕大部分的核裂變產物都是原子序數為中間的元素。因此，當發生裂變並生成較小的更穩定的核時，這些粒子的總質量減小，質量必然要轉變為能量。

1kg²³⁵U或²³⁹Pu裂變時釋放的能量約相當於20000tTNT。

套用意義

核裂變反應是反應堆中最重要的核反應。它的重要性在於，核裂變過程有大量的能量釋放出來，同時釋放出中子。這就有可能在適當的條件下使這一反應過程自動持續下去，構成所謂“鏈式反應”，而人們就能夠不斷地利用核反應過程中釋放出來的能量或中子。

核裂變的發現開始了核能時代，反應堆的發展使核能利用變成了現實，並緩解了化石燃料日益枯竭的能源危機。發展核電首先必須保證反應堆的安全性，同時還應不斷提高它的可靠性和經濟性。這除了需精心設計、建造和運行外，合理選擇反應堆材料也是保證上述三性的關鍵。反應堆的創始人費米早在1946年就曾指出“核技術成功的關鍵取決於堆內強輻射下材料的行為”，這個預言已被反應堆的實踐和發展所證實，反應堆材料在核電站中的作用和地位十分重要。