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核裂变的基本原理

核裂变的基本原理

磁场里高速流动的物质转化为金属态氢离子,金属态氢离子的“磁力矩”相互切割聚合形成新元素的同时释放电磁波——能量(爆炸)。

裂变不会产生电磁波,裂变是为聚变提供金属态氢离子。

熱核反应质量守恒,物质不会转化成能量;链式反应是冲击波层流里高速流动的物质转化的金属态氢离子聚合的新元素反复裂解为金属态氢离子产生了连续的爆炸。

1、核裂变又称核分裂是指由重的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见,热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子,中子再去撞击其它铀-235原子,从而形成链式反应。

2、原理:裂变释放能量是与原子核中质量-能量的储存方式有关。从最重的元素一直到铁,能量储存效率基本上是连续变化的,所以,重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的核能够分裂并形成较轻的核,就会有能量释放出来。

主要应用:

核电站和原子弹是核裂变能的两大应用,两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核电站的关键设备是核反应堆,它相当于火电站的锅炉,受控的链式反应就在这里进行。核反应堆有多种类型,按引起裂变的中子能量可分为:热中子堆和快中子堆。

热中子的能量在0.1eV(电子伏特)左右,快中子能量平均在2eV左右。运行的是热中子堆,其中需要有慢化剂,通过它的原子与中子碰撞,将快中子慢化为热中子。慢化剂用的是水、重水或石墨。堆内还有载出热量的冷却剂,冷却剂有水、重水和氦等。

根据慢化剂和冷却剂和燃料不同,热中子堆可分为轻水堆(用轻水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料)、重水堆(用重水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料)和石墨水冷堆(石墨慢化,轻水冷却,稍加浓铀),轻水堆又分压水堆和沸水堆。

核裂变(德语:Kernspaltung;英语:nuclear fission),在港台称作核分裂,是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钚,裂变成较轻的(原子序数较小的)原子的一种核反应或放射性衰变形式。核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电站最常见。

重核原子经中子撞击后,裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子,并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成连锁反应而自发裂变。原子核裂变时除放出中子还会放出热,核电站用以发电的能量即来源于此。因此核裂变产物的结合能需大于反应物的的结合能。

核裂变会将化学元素变成另一种化学元素,因此核裂变也是核迁变的一种。所形成的二个原子质量会有些差异,以常见的可裂变物质同位素而言,形成二个原子的质量比约为3:2。大部分的核裂变会形成二个原子,偶尔会有形成三个原子的核裂变,称为三裂变变,大约每一千次会出现二至四次,其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。

现代的核裂变多半是刻意产生,由中子撞击引发的人造核反应,偶尔会有自发性的,因放射性衰变产生的核裂变,后者不需要中子的引发,特别会出现在一些质量数非常高的同位素,其产物的组成有相当的几率性甚至混沌性,和质子发射、α衰变、集群衰变等单纯由量子穿隧产生的裂变不同,后面这些裂变每次都会产生相同的产物。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物质当中子撞击引发核裂变时也会释放中子,因此可以产生连锁反应,使核裂变持续进行。在核电站中,其能量产生速率控制在一个较小的速率,而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。

由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个,因此若对链式反应不加以控制,同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多,将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量,需要在90%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料,铀-235的含量通常很低,大约在3%到5%,因此不会产生核爆。但核电站仍需要对反应堆中的中子数量加以控制,以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼,并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能裂变。

核裂变时,大部分的裂变中子均是一裂变就立即释出,称为瞬发中子,少部分则在之后(一至数十秒)才释出,称为延迟中子。

235U 原子核的一种裂变过程

235U 原子核吸收一个中子,变成236U 原子核,然后236U 原子核裂变成二个快速运动的较小原子核,并释放三个中子,同时也会产生伽马射线(图中未绘出)

机制

核裂变可以在没有中子撞击的情形下出现,这种核裂变称为自发裂变,是放射性衰变的一种,只出现在几种较重的同位素中。不过大部分的核裂变都是一种有中子撞击的核反应,反应物裂变为二个较小的原子核。核反应是依中子撞击的机制所产生,不会依照自发裂变中相对较固定的指数衰减及半衰期特性所控制。

现今已经知道许多种类的核反应,核裂变和其他核反应最大的不同点是核裂变是由中子撞击所产生,而产生的多个自由中子会撞击其他核子,会启动更多的核裂变,因此成为核连锁反应(链反应的一种),有时可以控制一些条件来调整核连锁反应的影响程度。

可以产生核连锁反应的化学元素同位素称为核燃料,也称为可裂变物质。其中最重要的是235U(铀元素的同位素,原子量235),是及239Pu(钚元素的同位素,原子量239),这些核燃料裂变后大部分会形成原子量在95及135左右的元素(核裂变产物)。大部分核燃料的自发裂变非常缓慢,透过α/β衰变链,时间从的数千纪到数地质年代。在核反应堆或是核武中,大部的核裂变是由中子的撞击产生,而核裂变也会产生中子,引发更多的核裂变。

诱导核裂变事件

其中的慢中子被铀235的原子核吸收,裂变成两个快速移动,原子量较小的元素(核裂变产物)及更多的中子。大部分的能量变成核裂变产物及中子的动能

链式反应

许多重元素,像是铀、钍、钚,会有由放射性衰变产生的自发裂变,以及由中子引发的核反应。任何吸收中子可以发生核裂变的原子核称为“可裂变物质”(fissionable),但可以吸收缓慢移动的热中子发生核裂变的原子核才能称为易裂变物质(fissile)。一些特别的可裂变物质及其同位素(像233U, 235U及239Pu)可以维持链式反应,而且可以提取足够数量以供使用,这类的物质称为核燃料。

所有可裂变物质及易裂变物质都会有部分原子出现自发裂变,释出一些自由中子。自由中子的半衰期约15分钟,之后会衰变为质子及β粒子,不过在半衰期之前中子就已撞击到其他原子(新衰变的中子速度约为光速的7%,即使慢速的中子速度也是声速的8倍。)。有些中子会撞击原子,引发进一步的核裂变。若附近有够多的核燃料,或者中子维持的够久,发射出来的中子数量比离开核燃料的中子要多,此即为持续核连锁反应。

可以维持持续核连锁反应的组件称为临界组件,若组件都是由核燃料组成,则称为临界质量。临界一词代表控制燃料中自由中子微分方程的尖点,若质量小于临界质量,中子的数量是由放射性衰变决定,若质量大于临界质量,中子的数量则是由连锁反应决定。临界质量的实际质量会受几何形状及周围材料的影响。

不是所有可裂变物质都可以产生核连锁反应,像238U是铀元素中丰度最高的同位素,这是可裂变物质,不过不是易裂变物质。若有能量超过1 MeV的中子撞击238U,会产生核裂变,不过其产生的中子能量大多数都无法再引发其他的裂变,因此这种同位素不会产生核连锁反应。若用慢中子撞击238U,238U会吸收中子(形成239U),并且β衰变,形成239Np,之后会再相同的程序衰变为239Pu。这也是中子增殖反应堆制造239Pu的方法。

核裂变是原子核反应的一种。与之并列的还有核聚变

核裂变就是指由重的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核电站的能量来源就是核裂变。

铀裂变反应方程式:235U+1n=137Ba+97Kr+2n

前面的答主都对反应做了非常详尽的解答,所以我写一些更加基本的原理。

总的来说,核反应的基本原理都是一个近代物理学最最基础的方程,大名鼎鼎的爱因斯坦质能守恒方程

就是你经常看到的E=mc²

不论是核裂变核聚变快中子慢中子魔炉还是反物质湮灭放出能量

都离不开这个方程

质能守恒的本质就是损失质量产生能量的过程。