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核武器物理的基础知识:链式裂变反应

文章来源:经福谦   时间:2011-10-28 访问数:

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    费米是第一个实现链式反应的科学家。他坚信获得巨大能量的关键,在于使大量铀核在短时间内发生裂变。他注意到铀-235分裂时不仅放出200兆电子伏的能量,同时还放出几个中子。每次放出的中子数目有多有少,但这些中子总有可能引起其他铀核分裂。假定一个铀核分裂时平均放出两个中子;这两个中子使两个铀核发生裂变并产生四个中子;再而使四个铀核裂变,产生更多的中子。如此下去,铀核裂变就将自发地继续进行,形成了“链式反应”,如图2.15所示。

图2.15	链式裂变反应示意图

2.15    链式裂变反应示意图

    要是能够实现链式反应,裂变中子就会比天方夜谭棋盘上的麦粒还要增加得快。阿拉伯的天方夜谭中有一个发明象棋者的故事,他为了领取奖赏,要求国王在棋盘的第一格中放一颗麦粒,第二格中放两颗,第三格中放四颗,每个方格中放的麦粒数依次是它前面一格的两倍。国王当即同意,并且心里好笑,他认为这太容易了。但他很快就笑不出来了,因为在计算那位发明家应该得到多少麦粒时,全国库存的麦粒似乎还不够他应得的千分之一。

    故事中的麦粒每次是按两倍增加的,上面示意图中每代裂变也是按两倍增加的,而实际裂变平均每次放出的中子多于两个。所以,释放出的中子数比棋盘上的麦粒增加的还要快。中子雪崩式地增殖,一瞬间就会有千万个铀核分裂,几乎是同时放出的能量将巨大无比,这就要出现核爆炸。

    费米苦心钻研和不懈努力,不仅证实了裂变链式反应的存在,而且他设法使链式反应变为连续、缓慢、可以控制的核反应,使核能平缓地释放出来。费米领导了世界上第一座原子核反应堆的建设和实验工作,从而使人类进入了实际使用原子能的时代。

    前一节提出的第三个问题是:在一次裂变事件中发射出多少中子?这是一个要由实验来解决的问题。原子核理论还没有完善到足以回答这个问题。对235U,发射出的中子数目大约是2.5个。正如多数其他亚微观事件那样,概率定律支配着裂变事件。一个235U核可以分裂而不发射任何中子;另一个又可以发射六个。平均数是2.5。即使吸收单个中子也可以发生裂变。由于一个裂变的核每吸收一个中子,平均就产生2.5个中子,看来这对于链式反应是相当有利的。在235U239Pu的固体块中,确实如此。这就是在原子弹核芯中发生的情况。在其中,链式反应不只是自持的,而且是爆炸式的倍增,释放的能量按指数规律随时间增长,直至由于核芯材料受热膨胀,密度减小,才使反应减慢下来。


   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间:2002年7月

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