[科普中国]-裂变截面

定义

裂变截面指原子发生裂变反应的截面，是核燃料循环的一个重要参数。

许多裂变核素诸如235U和239pu在核能应用中的重要价值已为人们所熟知。其他238pu、242mAm、245Cm、247Cm、249Cf和251Cf等的应用价值也越来越为人们所重视，其原因是242mAm等超钵核素具有很大的热中子裂变截面，是制造小型核反应堆感兴趣的燃料；238pu、242Cm和244Cm等用作同位素能源有无噪声、无污染、体积小、寿命长、运行可靠、不受周围环境影响的突出优点;许多核素本身就是或可用它们制成好的放射性中子源，如252Cf的自发裂变中子是标准的裂变谱中子源，241Am-Be, 242Cm-Be和244Cm-Be中子源也是常用的放射性中子源。但上面所提到的这些锕系核素除235U外，其他都是人工（主要是在核反应堆中）生产出来的。为了对这些核素及其他各超钵核素的产额作出较为可靠的估算，它们的热中子裂变截面是很重要的数据。此外在通过再循环处理核反应堆产生的放射性废物中也需要这些核素的热中子裂变截面值。1

研究背景到目前为止，虽已有了一定数量的测量数据，但有些核素由于样品难得或其他实验上的困难，还缺少这方面的数据。因此对已有的数据进行系统学分析，找出某些经验规律来预报或估算那些没有测量数据的核素的裂变截面值就成了满足需要的一种有效方法，也是对核裂变现象进一步加深认识的一种途径。

裂变截面的系统学研究早在五十年代就已开始，六十年代以后，随着测量数据的增多系统学工作增多了，面也加宽了2。如3-5Mete中子能区的裂变截面系统学，奇-奇核热中子裂变截面系统学，自发裂变半衰期系统学，裂变碎片总平均动能系统学等。但对整个锕系核的热中子裂变截面作系统学研究的工作还未看到过。3

我们从核数据的需要出发，对能收集到的61个锕系核的热中子裂变截面作了系统学分析，得到了一些规律，并据此推算和预报了约100个核素的热中子裂变截面值。对绝大部分有测量数据的核素来说，推算值与测量值在误差范围内是一致的。

锕系核热中子裂变截面的系统特性61个有测量数据的锕系核的热中子裂变截面值按其中子数的奇偶分别列在表1的左侧和右侧，并把这些核的热中子裂变截面值按核的质量数画在图1上。此外还把四对同质异能态核的热中子裂变截面值和自旋专门列在表2中。由这些表和图可以较清楚的看到锕系核的热中子裂变截面具有以下几个系统性特点：

1、热中子裂变截面的大小主要与核的中子数的奇偶性有关，与质子数或质量数的奇偶性无关或关系不大。总的看来，奇中子核的热中子裂变截面大，偶中子核的热中子裂变截面小。表1中列出了34个奇中子核和27个偶中子核的裂变截面值。这些数值除超钵核素取自我们自己的评价外，其他皆取自Holden的评价。由这些数据可以看到，大部分偶中子核的热中子裂变截面小于1b，只有几个核大于10b,裂变截面最大的236pu也只不过150b。但对奇中子数的核来说，除237U的裂变截面小于0.35b外，其他核皆大于10b，而且大部分核的裂变截面都在100b以上。这一现象与原子核中的中子有配对相处的效应是一致的。即当人射的中子与靶核形成偶中子核时其结合能比奇中子核要大，复合核的激发能往往超过裂变位垒的高度，因而容易发生裂变，其表现就是裂变截面大。4

2、图1画出了热中子裂变截面的对数值与核质量数A的关系，直线相联的是同中子数核。由它可以看到，无论是偶中子核还是奇中子核，.中子数相同的核素在一定限度内热中子裂变截面的对数值都有随质量数A的增加而增加的趋向，有的并表现出甚好的线性。我们注意到，213U、237Pu、239Pu、243Cm和245Cm等5个核的热中子裂变截面值若按线性外推，正好分别处在中子数N=139、143、145、147和149的直线的上端，并超过了104b。但它们的实际测量值都比线性外推值小得很多，好像锕系核的热中子裂变截面存在一个极限值。在此极限下，图1明显表示出奇中子核和偶中子核的热中子裂变截面对数值分别构成上下两组直线。

3、对于奇一奇核具有高自旋的同质异能态核素有较大的热中子裂变截面，表2专门列出了4对同质异能态核素的自旋和裂变截面值作为比较。从中可以清楚地看到，自旋值大的态裂变截面也大。有趣的是当基态的自旋值比已处于激发中的同质异能态的自旋值大时，基态的裂变截面也比异能态的大。显示出核的自旋对裂变的影响在此情况下比激发能还要大。

热中子裂变截面的推算和预报使用上面得到的三个线性方程，对婀系核的热中子裂变载面值作了推算和预报，其中包括29个没有测量数据的核素。结果见表1第四列。从有测量数据的核素看，绝大部分推算值与测量值在误差范围内是一致的。但有两个核的推算值与测量值之间相差甚远，一个是奇中子核237U测量值小于0.35b，推算值则为14b；另一个是偶中子核242Cm，测量值小于5b，推算值则为303b。

考虑到现有的规律性还有一些例外，因而推算时小心地将范围限制在对于偶中子核N小于或等于152；对于奇中子核，N小于155；所以只给出29个没有测量数据和10个只有截面值上限或下限的核素的预报值。1