[科普中国]-裂变物质

介绍

凡原子核可以裂变的物质统称为裂变物质，例如： 在中子作用下可以裂变的U、U及Pu。它们本身以及它们的各种合金和化合物，可用作反应堆的燃料，所以又叫做核燃料。有些物质虽可发生少量裂变( 如U、Pu)，但习惯上不把它们叫做裂变物质。

裂变物质裂变时同时放出能量，例如，一公斤U完全裂变时所放出的能量。约相当于2500吨优质煤完全燃烧时放出的能量。海洋中的人工放射性核素主要由U裂变时形成的裂变产物进入海洋的。

裂变过程中释放的中子数V是各不相同的。如刚超过裂变点的元素 (银)裂变许多次才放出一个中子; 而重元素(例如钍和铀) 每次裂变放出2个或多个中子。即使就这样的元素而论，中子被核俘获以后，在很多情况下，伴随着以发射γ射线的形式释放其过剩的能量，而不是核裂变。这就减少了对进一步裂变有用的中子数。中子俘获与中子裂变之比，对各种核来说是不同的，并且随轰击中子的能量而变化。只有很少几种元素的同位素，它们的裂变机率比俘获机率高。铀-233、铀-235和钚-239等这些可裂变同位素是能维持裂变反应的仅有的材料，因此称为核燃料。

这些同位素中，只有铀-235在自然界中存在，它占天然铀的1/40，其余为铀-238。其它两种可裂变同位素必须用人工生产，铀-233是通过钍-232的中子俘获，而钚-239是通过铀-238的中子俘获而分别得到的。同位素钍-232和铀-238称为可转换材料。

裂变现象（核）裂变是一个重原子核分 裂成两个(或更多个)中等质量原子核的现象。 按分裂的方式不同可分为自发裂变和诱发裂 变。前者是在没有外部入射粒子轰击情况下自 行发生的核裂变。后者是在外来粒子(最常见 的是中子)轰击下产生的裂变。

1938年哈恩和 斯特拉斯曼在分析中子照射铀的产物时发现了 原子核的诱发裂变。1940年彼得扎克和弗廖 罗夫发现天然铀核的自发分裂现象。1947年 钱三强和何泽慧等发现了中子轰击铀的三分裂 和四分裂现象(约300个裂变中有一个三分裂， 上万个裂变中有一个四分裂)。核裂变是核的 大形变集体运动的结果。关于裂变的机理，至 今仍然是一个需要进一步研究的问题。液滴模 型认为，原子核犹如一个由核子组成的“液滴”。

例如，铀235核吸收一个中子后，由于增加了由 这个中子带来的多余的结余能而形成激发态的 铀236核。激发态原子核像受力的液滴一样， 处于不稳定状态而发生振荡。如果中子带来的 结合能足够大，原子核就由球形变成椭球，由椭 球变成哑铃状。随着距离的拉长，复合核分裂 成两个各自独立的新球体(又称裂变碎片)。这 个裂变过程约需万亿分之一秒(10秒)。在 分裂过程中原子核以释放中子和γ射线的方 式退激，这就是裂变瞬发中子和瞬发γ射线。 裂变产生的碎片还要经历一系列β衰变(放出 缓发中子)而变成稳定核。瞬发中子约占 99.3%，缓发中子约占0.645%。1

常见裂变物质铀铀235是铀(Uranium)元素里中子数为143的放射性同位素，是自然界至今唯一能够裂变的同位素，主要用做核反应中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。铀是原子序数为92的元素，其元素符号是U，是自然界中能够找到的最重元素。在自然界铀有三种同位素存在（铀234、铀235和铀238）,均带有放射性。铀235在天然铀中的含量为0.711%，其半衰期为7.00×108年，1935年由加拿大科学家邓史达（Arthur Jeffrey Dempster）发现。

国际上通用的铀浓缩方法有离心法、气体扩散法和激光法，而气体离心分离机则是提炼浓缩铀通常采用的气体离心法的关键设备。它是一个庞大的系统，通过每分钟2万转以上的高速离心机，其他同位素可从天然铀矿石中分离出去，剩余的铀235的浓度可达到95%以上。美国当年在日本广岛投放的原子弹是通过劳伦斯法分离制成的。

钚钚（Pu）是一种放射性元素，是原子能工业的一种重要原料，可作为核燃料和核武器的裂变剂。投于长崎市的原子弹，使用了钚制作内核部分。其也是放射性同位素热电机的热量来源。钚最重要的同位素是钚-239，半衰期为24100年，常被用制核子武器。钚-239和钚-241都易于裂变，即它们的原子核可以在慢速热中子撞击下产生核分裂，释放出能量、伽马射线（γ射线）以及中子辐射，从而形成核连锁反应，并应用在核武器与核反应炉上。2

应用价值核裂变物质有着重要的实用价值。裂变能放出 巨大的能量。一个原子核裂变不但释放能量， 还发射几个中子。所发射的中子继续引起其他 原子核裂变，再次产生更多的中子，这样通过链 式反应找到大规模利用核能的途径。随着反应 堆的建立，除了巨大的核能在能源和军事方面 的实际应用外，放射性同位素开始大量生产并 广泛应用于科学技术和生产、医疗等各部门。