為什么鈾235在達到一千克時會發(fā)生裂變？
- 教育綜合
- 2024-05-06 13:00:02
為什么鈾一超過臨界質(zhì)量就會發(fā)生爆炸?
鈾235具有放射性，會放射中子，而鈾238幾乎不會放射粒子，當鈾235達到一定的質(zhì)量時，放射中子的密度就足夠發(fā)生裂變反應了，這就是臨界質(zhì)量。
結構如下
原子彈內(nèi)裝有球形鈾塊，其質(zhì)量小于臨界質(zhì)量，鈾塊外面有中子反射層，另外還裝有一個圓柱形鈾塊。當點燃信管，引爆了普通炸藥后，圓柱形鈾塊被推入槽內(nèi)，與球形鈾塊合成一整體，鈾塊就達到臨界質(zhì)量，產(chǎn)生鏈式反應，最后發(fā)生爆炸。
還有一種結構，它是把鈾235分成兩個半塊，然后在普通炸藥爆炸的推動下，高速地在短時間內(nèi)合攏起來。這樣，兩塊未滿臨界質(zhì)量的鈾235在合攏后便超過鈾235的臨界質(zhì)量（在沒有反射層的條件下，鈾235的臨界質(zhì)量是48.8公斤，但在有反射層的條件下，由于反射層使向外跑出的中子能反射回來，臨界質(zhì)量就大為減少。
如在接近無限厚的石墨覆蓋下，鈾235的臨界質(zhì)量是16.9公斤，在接近無限厚的鈾238的反射層作用下，其臨界質(zhì)量是16.28公斤）。這個臨界的系統(tǒng)在一定的中子激發(fā)下，便能引起鏈式反應而形成猛烈的爆炸。
核性質(zhì)
鈾的熱中子吸收截面為7.60b±0.07b。鈾的同位素（包括同核異能素）有15種，其質(zhì)量數(shù)從227至240。鈾的天然同位素組成列于下表 。U為錒鈾衰變系的始祖核素，238U為鈾鐳系的始祖核素，234U是238U的衰變系產(chǎn)物 。235U是惟一天然的可裂變核素。235U核素受熱中子轟擊，吸收一個中子后發(fā)生裂變（誘發(fā)裂變）。
一個235U核在裂變時放出的總能量為195MeV，同時放出2～3（平均2.5）個中子。只要其中一個中子引起另一個235U核發(fā)生裂變，鏈式核裂變就會持續(xù)進行下去。238U不是裂變核素，但238U在反應堆活性區(qū)吸收中子后生成239U，239U再經(jīng)兩次β衰變生成能裂變的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分發(fā)揮238U的作用，提高天然鈾的利用率。
核原料為什么超過一定重量就會爆炸
因為核材料裂變時是鏈式反應，需要中子來啟動反應，反應中又產(chǎn)生中子。如果裂變材料太少，則不能維持鏈式反應——中子是向四面八方發(fā)射的，有的會被裂變材料的原子核捕獲而觸發(fā)新的反應，但通常多數(shù)中子是散逸掉的。當新產(chǎn)生的中子少于逃逸掉的中子時，鏈反應逐漸減緩直至停止；如果要發(fā)生裂變的核爆，必須是新產(chǎn)生的中子多于逃逸掉的中子才可以。維持鏈式反應所需要的裂變材料的最小質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。臨界質(zhì)量的大小取決于裂變材料的種類、結構密度、幾何形狀以及核裝置中有無中子反射層結構等。 剛好可能以產(chǎn)生連鎖反應的組合，稱為已達臨界點。比這樣更多質(zhì)量的組合，核反應的速率會以指數(shù)增長，稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子鈾原子核裂變
我的百科 我的貢獻草稿箱1123ty183 助理 二級(117) | 我的百科 | 我的知道 | 我的消息(0/1) | 我的空間 | 百度首頁 | 退出 核裂變(Nuclear fission)又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。是指由重的原子，主要是指鈾或钚，分裂成較輕的原子的一種核反應形式。 只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾(yóu)、釷(tǔ)等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質(zhì)量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變……，使過程持續(xù)進行下去，這種過程稱作鏈式反應。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大1克鈾-235完全裂變所產(chǎn)生的能量，相當于多少噸標準煤？
一克鈾-235大約需要數(shù)百億年才能徹底釋放其能量，因為一克鈾并不能以鏈式反應的方式產(chǎn)生裂變，原因是它的無法達到臨界質(zhì)量，不過可以只用來計算每一克鈾釋放的能量，那么它到底有多大呢？
一克鈾徹底裂變釋放的能量相當于2.9噸標準煤
鈾的能量是通過重元素裂變所釋放的，有比較簡便的計算經(jīng)驗計算方式，或者采用每摩爾鈾-235原子的數(shù)量，再按單個原子裂變的產(chǎn)生的能量計算，兩種都差不多，我們可以簡單做個計算！
簡便計算
U-235裂變時質(zhì)量虧損大約為0.0946%，也就是1克鈾徹底裂變后質(zhì)量會減少0.0946%，這些減少的質(zhì)量會被徹底轉換為能量，盡管它產(chǎn)生的質(zhì)量變化極小，但以質(zhì)量轉變?yōu)槟芰康挠嬎惴绞绞菒垡蛩固沟馁|(zhì)能轉換：
E=mc2
c為光速，m為質(zhì)量，單位為千克，因此一克鈾-235徹底裂變所產(chǎn)生的能量大約是：
85,022,239,908.5J
另一個方式是按每一鈾原子裂變的能量來計算，鈾-235裂變大約能產(chǎn)生207MeV的能量，1克鈾235大約為0.004255摩爾，而一摩爾鈾大約是6.0221415 × 10^23個鈾原子，那么總共有2.562 × 10^21個原子！1Mev大約為：3.312×10^-11J，那么全部裂變產(chǎn)生的能量為：
84,838,950000.0J
兩者大約相差0.21%，主要是四舍五入造成的，不過經(jīng)驗公式已經(jīng)很精確了，畢竟這是粗略計算，算個大概也就差不多了哈！
這些能量大約相當于多少標準煤呢？1噸標準煤的熱值大約為29270MJ，那計算得約為2.9噸標準煤！大概一拖拉機不到一點（超載），所以各位可以想象一下，1克鈾-235而已，如果全面普及它將減少多少污染排放呢？
為什么一克鈾無法裂變，鈾的裂變過程是怎樣的？
從理論上來看，無論是多少鈾都能裂變，只要持續(xù)不斷朝它轟擊熱中子即可，但問題是能讓鈾-235裂變的熱中子源成本是很高的，用這種方式取得的裂變能源得不償失！這個難題完全可以用另一種方式來解決：鏈式反應！
這種方式的原理很簡單，即一顆鈾原子在受到熱中子轟擊后會裂變成氪-92和鋇-141，并且釋放出2-3個中子，這些多余的中子經(jīng)過減速劑減速后又能讓其它鈾原子裂變，變成自持裂變！而且還可以用中子吸收的控制棒來吸收這些多余的中子，控制核反應堆的整體輸出能量，做到鏈式反應速度可調(diào)，那就是一個完美的核反應堆了！
不過中學課本中就有說明，原子內(nèi)部的空間是非常空曠的，原子核就相當于萬人體育場中間的籃球，在幾公里外的位置向體育場扔一個籃球，要命中這個籃球的概率幾乎等于0，那么怎么辦呢？既然一個體育場扔不中，那么就用無數(shù)個體育場，扔出去總有一個會碰到的！
這些無數(shù)個原子構成的原子籃球場，每次扔一定會命中一個的總數(shù)就是裂變材料的臨界質(zhì)量，簡單的說就是達到這個質(zhì)量后，就比較容易產(chǎn)生自持裂變了！比如鈾-235的臨界質(zhì)量是52千克，但很多資料中稱是15千克！其實也沒錯，那是加上了中子反射層后的臨界質(zhì)量，那樣就能將飛出核材料外的中子反射回來繼續(xù)參與裂變！
核裂變除了釋放出巨大的能量外，還有令人厭惡的放射性污染。
聽上文的介紹，核裂變是一種幾乎完美的能量，它可以裂變，只要足夠的核材料，只要啟動下就能自己裂變，還可以用控制棒改變輸出能量，一克鈾就有2.9噸標準煤，這還不夠完美嗎？從這個角度來說卻是完美無瑕，但它有兩個致命缺點！
能裂變的鈾-235很難取得
鈾在自然界的盡管比較少，但它巨大的能量促使人類挖空心思去找鈾礦，當然不僅是能源的誘惑，還有制造原子彈的需求，人類最初利用鈾能量的原動力就來自于武器！在地球上鈾礦還是不少的，鈾的分離也不難！
但天然鈾中絕大部分都是難以裂變的鈾-238，可以裂變的鈾-235大約只占0.72%左右，而一般的輕水堆中對核燃料的要求比較高，核武器級的鈾-235要求就更高了，怎么也得90%以上吧！但238和235是鈾的同位素，化學性質(zhì)沒多少差別，所以分離非常困難！
離心機結構
但因為兩種同位素相差3個中子的質(zhì)量，因此在大規(guī)模的235分離中，大都使用六氟化鈾的氣體離心分離法！這個分離方式原理很簡單，利用兩種同位素的密度差異，逐級分離濃縮，但因為兩者密度相差極小，因此離心分離需要很多級才能達到足夠的濃度，能量消耗極大，設備制造也比較困難！
離心機陣列，這里有多少數(shù)量？又有多少沒在畫面中的？
增殖堆的出現(xiàn)讓鈾利用率大幅增加
在核反應堆中，會有大量的多余中子被控制棒吸收用來控制反應堆輸出功率，這些中子就被白白浪費了，而我們知道，元素在吸收中子后會不穩(wěn)定，產(chǎn)生β-衰變，釋放出一個電子和一個反中微子后衰變成質(zhì)子，也就是變成另一種元素！
鈾-238的增值反應過程
這就是增殖堆的原理，如果將鈾-238利用起來的話，預計核燃料的消耗將在目前的規(guī)模上擴大十倍不止，人類的能源保證將達到千年甚至更久！
鈾的裂變以及產(chǎn)物的衰變和增殖過程
放射性污染無法處理
核裂變之后的元素大都具有放射性，它們會繼續(xù)衰變，一直到穩(wěn)定元素，而這個周期短則數(shù)天，長則萬年甚至更久，因此核反應堆中每年都有大量的裂變過（并未100%利用），輸出能量下降的核廢料需要處理，而我們?nèi)祟惒]有特別好的方法，只能暫時將它們收集起來，然后集中堆放在某個深深的地下巖洞中！
1957年蘇聯(lián)東部烏拉爾山脈的深處，發(fā)生過歷史上最早，級別排名第三的“克什特姆核事故”，當時對核廢料的特性以及處理方式認識不足，一直只是將核廢料儲存在密封的鋼制容器中埋入了地下，澆上了一層薄薄的混凝土。
1957年9月29日晚，由于年久失修，冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，核廢料的放射性衰變的能量產(chǎn)生了大量的蒸汽，整個掩埋區(qū)發(fā)生了爆炸，幾十噸的鋼制罐子撕裂拋灑，核廢料撒得到處都是，據(jù)估計當時的能量大約相當于70-100噸TNT的當量，大量的放射性塵埃被排入大氣層！
這些放射性物質(zhì)隨著大風飄散，讓車里雅賓斯克州，斯維爾德洛夫斯克州和秋明州的部分地區(qū)都暴露于放射性污染下，影響面積達52000平方公里，留下了一條長長的帶狀地帶！史稱東烏拉爾放射性痕跡”！
所以核能非常強大，但它的放射性污染也和它的能量一樣一樣強大，到現(xiàn)在為止人類依然只能掩埋處理，沒有更好的辦法，也許我們只能寄希望于未來的核聚變！但要是沒有實現(xiàn)核聚變呢？人類又該怎么辦？各位不妨留言提個建議！
