为什么铀235在达到一千克时会发生裂变？
- 教育综合
- 2024-05-06 13:00:02
为什么铀一超过临界质量就会发生爆炸?
铀235具有放射性，会放射中子，而铀238几乎不会放射粒子，当铀235达到一定的质量时，放射中子的密度就足够发生裂变反应了，这就是临界质量。
结构如下
原子弹内装有球形铀块，其质量小于临界质量，铀块外面有中子反射层，另外还装有一个圆柱形铀块。当点燃信管，引爆了普通炸药后，圆柱形铀块被推入槽内，与球形铀块合成一整体，铀块就达到临界质量，产生链式反应，最后发生爆炸。
还有一种结构，它是把铀235分成两个半块，然后在普通炸药爆炸的推动下，高速地在短时间内合拢起来。这样，两块未满临界质量的铀235在合拢后便超过铀235的临界质量（在没有反射层的条件下，铀235的临界质量是48.8公斤，但在有反射层的条件下，由于反射层使向外跑出的中子能反射回来，临界质量就大为减少。
如在接近无限厚的石墨覆盖下，铀235的临界质量是16.9公斤，在接近无限厚的铀238的反射层作用下，其临界质量是16.28公斤）。这个临界的系统在一定的中子激发下，便能引起链式反应而形成猛烈的爆炸。
核性质
铀的热中子吸收截面为7.60b±0.07b。铀的同位素（包括同核异能素）有15种，其质量数从227至240。铀的天然同位素组成列于下表 。U为锕铀衰变系的始祖核素，238U为铀镭系的始祖核素，234U是238U的衰变系产物 。235U是惟一天然的可裂变核素。235U核素受热中子轰击，吸收一个中子后发生裂变（诱发裂变）。
一个235U核在裂变时放出的总能量为195MeV，同时放出2～3（平均2.5）个中子。只要其中一个中子引起另一个235U核发生裂变，链式核裂变就会持续进行下去。238U不是裂变核素，但238U在反应堆活性区吸收中子后生成239U，239U再经两次β衰变生成能裂变的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分发挥238U的作用，提高天然铀的利用率。
核原料为什么超过一定重量就会爆炸
因为核材料裂变时是链式反应，需要中子来启动反应，反应中又产生中子。如果裂变材料太少，则不能维持链式反应——中子是向四面八方发射的，有的会被裂变材料的原子核捕获而触发新的反应，但通常多数中子是散逸掉的。当新产生的中子少于逃逸掉的中子时，链反应逐渐减缓直至停止；如果要发生裂变的核爆，必须是新产生的中子多于逃逸掉的中子才可以。维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量称为临界质量。临界质量的大小取决于裂变材料的种类、结构密度、几何形状以及核装置中有无中子反射层结构等。 刚好可能以产生连锁反应的组合，称为已达临界点。比这样更多质量的组合，核反应的速率会以指数增长，称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子铀原子核裂变
我的百科 我的贡献草稿箱1123ty183 助理 二级(117) | 我的百科 | 我的知道 | 我的消息(0/1) | 我的空间 | 百度首页 | 退出 核裂变(Nuclear fission)又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。是指由重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式。 只有一些质量非常大的原子核像铀(yóu)、钍(tǔ)等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大1克铀-235完全裂变所产生的能量，相当于多少吨标准煤？
一克铀-235大约需要数百亿年才能彻底释放其能量，因为一克铀并不能以链式反应的方式产生裂变，原因是它的无法达到临界质量，不过可以只用来计算每一克铀释放的能量，那么它到底有多大呢？
一克铀彻底裂变释放的能量相当于2.9吨标准煤
铀的能量是通过重元素裂变所释放的，有比较简便的计算经验计算方式，或者采用每摩尔铀-235原子的数量，再按单个原子裂变的产生的能量计算，两种都差不多，我们可以简单做个计算！
简便计算
U-235裂变时质量亏损大约为0.0946%，也就是1克铀彻底裂变后质量会减少0.0946%，这些减少的质量会被彻底转换为能量，尽管它产生的质量变化极小，但以质量转变为能量的计算方式是爱因斯坦的质能转换：
E=mc²
c为光速，m为质量，单位为千克，因此一克铀-235彻底裂变所产生的能量大约是：
85,022,239,908.5J
另一个方式是按每一铀原子裂变的能量来计算，铀-235裂变大约能产生207MeV的能量，1克铀235大约为0.004255摩尔，而一摩尔铀大约是6.0221415 × 10^23个铀原子，那么总共有2.562 × 10^21个原子！1Mev大约为：3.312×10^-11J，那么全部裂变产生的能量为：
84,838,950000.0J
两者大约相差0.21%，主要是四舍五入造成的，不过经验公式已经很精确了，毕竟这是粗略计算，算个大概也就差不多了哈！
这些能量大约相当于多少标准煤呢？1吨标准煤的热值大约为29270MJ，那计算得约为2.9吨标准煤！大概一拖拉机不到一点（超载），所以各位可以想象一下，1克铀-235而已，如果全面普及它将减少多少污染排放呢？
为什么一克铀无法裂变，铀的裂变过程是怎样的？
从理论上来看，无论是多少铀都能裂变，只要持续不断朝它轰击热中子即可，但问题是能让铀-235裂变的热中子源成本是很高的，用这种方式取得的裂变能源得不偿失！这个难题完全可以用另一种方式来解决：链式反应！
这种方式的原理很简单，即一颗铀原子在受到热中子轰击后会裂变成氪-92和钡-141，并且释放出2-3个中子，这些多余的中子经过减速剂减速后又能让其它铀原子裂变，变成自持裂变！而且还可以用中子吸收的控制棒来吸收这些多余的中子，控制核反应堆的整体输出能量，做到链式反应速度可调，那就是一个完美的核反应堆了！
不过中学课本中就有说明，原子内部的空间是非常空旷的，原子核就相当于万人体育场中间的篮球，在几公里外的位置向体育场扔一个篮球，要命中这个篮球的概率几乎等于0，那么怎么办呢？既然一个体育场扔不中，那么就用无数个体育场，扔出去总有一个会碰到的！
这些无数个原子构成的原子篮球场，每次扔一定会命中一个的总数就是裂变材料的临界质量，简单的说就是达到这个质量后，就比较容易产生自持裂变了！比如铀-235的临界质量是52千克，但很多资料中称是15千克！其实也没错，那是加上了中子反射层后的临界质量，那样就能将飞出核材料外的中子反射回来继续参与裂变！
核裂变除了释放出巨大的能量外，还有令人厌恶的放射性污染。
听上文的介绍，核裂变是一种几乎完美的能量，它可以裂变，只要足够的核材料，只要启动下就能自己裂变，还可以用控制棒改变输出能量，一克铀就有2.9吨标准煤，这还不够完美吗？从这个角度来说却是完美无瑕，但它有两个致命缺点！
能裂变的铀-235很难取得
铀在自然界的尽管比较少，但它巨大的能量促使人类挖空心思去找铀矿，当然不仅是能源的诱惑，还有制造原子弹的需求，人类最初利用铀能量的原动力就来自于武器！在地球上铀矿还是不少的，铀的分离也不难！
但天然铀中绝大部分都是难以裂变的铀-238，可以裂变的铀-235大约只占0.72%左右，而一般的轻水堆中对核燃料的要求比较高，核武器级的铀-235要求就更高了，怎么也得90%以上吧！但238和235是铀的同位素，化学性质没多少差别，所以分离非常困难！
离心机结构
但因为两种同位素相差3个中子的质量，因此在大规模的235分离中，大都使用六氟化铀的气体离心分离法！这个分离方式原理很简单，利用两种同位素的密度差异，逐级分离浓缩，但因为两者密度相差极小，因此离心分离需要很多级才能达到足够的浓度，能量消耗极大，设备制造也比较困难！
离心机阵列，这里有多少数量？又有多少没在画面中的？
增殖堆的出现让铀利用率大幅增加
在核反应堆中，会有大量的多余中子被控制棒吸收用来控制反应堆输出功率，这些中子就被白白浪费了，而我们知道，元素在吸收中子后会不稳定，产生β-衰变，释放出一个电子和一个反中微子后衰变成质子，也就是变成另一种元素！
铀-238的增值反应过程
这就是增殖堆的原理，如果将铀-238利用起来的话，预计核燃料的消耗将在目前的规模上扩大十倍不止，人类的能源保证将达到千年甚至更久！
铀的裂变以及产物的衰变和增殖过程
放射性污染无法处理
核裂变之后的元素大都具有放射性，它们会继续衰变，一直到稳定元素，而这个周期短则数天，长则万年甚至更久，因此核反应堆中每年都有大量的裂变过（并未100%利用），输出能量下降的核废料需要处理，而我们人类并没有特别好的方法，只能暂时将它们收集起来，然后集中堆放在某个深深的地下岩洞中！
1957年苏联东部乌拉尔山脉的深处，发生过历史上最早，级别排名第三的“克什特姆核事故”，当时对核废料的特性以及处理方式认识不足，一直只是将核废料储存在密封的钢制容器中埋入了地下，浇上了一层薄薄的混凝土。
1957年9月29日晚，由于年久失修，冷却系统出现故障，核废料的放射性衰变的能量产生了大量的蒸汽，整个掩埋区发生了爆炸，几十吨的钢制罐子撕裂抛洒，核废料撒得到处都是，据估计当时的能量大约相当于70-100吨TNT的当量，大量的放射性尘埃被排入大气层！
这些放射性物质随着大风飘散，让车里雅宾斯克州，斯维尔德洛夫斯克州和秋明州的部分地区都暴露于放射性污染下，影响面积达52000平方公里，留下了一条长长的带状地带！史称东乌拉尔放射性痕迹”！
所以核能非常强大，但它的放射性污染也和它的能量一样一样强大，到现在为止人类依然只能掩埋处理，没有更好的办法，也许我们只能寄希望于未来的核聚变！但要是没有实现核聚变呢？人类又该怎么办？各位不妨留言提个建议！
