铀原子核的裂变途径

铀原子核的裂变途径


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2016-12-22 编辑:xuzhiping 浏览次数: 12109

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摘要: 1934年,意大利物理学家费米(1901—1954)曾用不带电的中子去轰击铀原子核,期望铀原子核吸收1个中子后释放出一个电子变成1个质子。这样原子序数就会增加第92号的铀便可变成第93号元素。后来,艾伦娜•约里奥-居里(居里夫人的女儿)等人重复了费米的实验,结...

1934年,意大利物理学家费米(1901—1954)曾用不带电的中子去轰击铀原子核,期望铀原子核吸收1个中子后释放出一个电子变成1个质子。这样原子序数就会增加第92号的铀便可变成第93号元素。后来,艾伦娜•约里奥-居里(居里夫人的女儿)等人重复了费米的实验,结果却发现:用中子去轰击铀核以后得到的产物不是第93号元素,而是钡。

哈恩(1879—1968)对这样的实验结果感到不可思议。而与哈恩合作的奥地利女科学家迈特纳(1878—1968)则据此提出了“原子核分裂”的概念。1939年1月,她在英国《自然》杂志上发表论文,提出“铀原子核吸收1个中子后会一分为二发生裂变反应”,并且铀原子核在发生裂变的过程中还会“损失一些质量”。

随后,迈特纳的侄子弗里希根据爱因斯坦著名的“质能转换公式”计算出:1个铀原子核分裂后可以释放出200兆电子伏特(MeV)的巨大能量。

天然铀通常含有3种同位素,即铀-238、铀-235和铀-234。其中铀-235受到中子轰击后,可以俘获1个(任何能量级)中子,然后原子核发生裂变,同时释放出2~3个中子,这些中子可以再被其他铀-235的原子核俘获,发生裂变,这样连续进行下去便可形成雪崩式的“链式反应”,同时释放出大量的原子能。

而铀-238的原子核只有俘获能量大于1,1兆电子伏特的中子才能发生裂变。如果中子的能量小于1,1兆电子伏特,铀-238虽然也能将中子俘获,但原子核不发生裂变。由于铀原子核裂变时所释放出的中子能量大于1.1兆电子伏特的并不多,因此大多数中子会被铀-238“吞食”。这就是说,如果把铀-235和铀-238混合在一起,然后用中子进行轰击,结果中子数量会越来越少,链式反应便不能继续进行下去。

因此,要利用铀核裂变所产生的原子能,就必须让铀的裂变按链式反应进行下去。一般有以下两个途经:

一是将天然铀中的同位素进行分离.舍去大量的铀-238,浓缩和利用铀-235为核燃料。目前,分离铀同位素最有效的方法是热扩散法。具体步骤是:先将铀制成气体六氟化铀(UF6),然后在加热的条件下,利用六氟化铀-238 UF6)与六氟化铀-235 (迂UF6)蒸气扩散速度的差异将它们分离,达到富集铀-235的目的。这是一项非常艰巨的工作。

二是使中子减速。实验证实:当中子的能量为几十电子伏特时,铀-238原子核对它的吸收能力非常强烈,铀-235无法与它竞争;而舀中子的能量降至240电子伏特(即热中子)时,铀-238对这种中子的吸收能力只有铀-235的1/190。因此,如能将裂变所产生的中子能量迅速减至1/40电子伏特左右(即热中子水平),同时适当地增加铀-235的相对含量,使大多数中子仍为铀-235所吸收,这样纵然使用的是铀-235和铀-238的混合核燃料,铀核裂变的链式反应还可以连续地进行下去。实践证明,重水和石墨等是理想的中子减速剂。

制造原子弹所采用的就是上述第一种途经,即应用纯铀-235为核爆炸材料;而核电站采用的是第二个途径,使用的核燃料是“浓缩铀”(铀-235和铀-238的混合物,其中铀-235仅占5%左右)。

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