裂变反应

原子能技术学术语

核裂变，是一个重原子的原子核分裂为两个或更多较轻原子核、并在分裂时释放两到三个自由中子并释放巨大能量的过程。裂变时释放的能量是相当巨大的，1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量（足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时），与燃烧300万吨煤释放的能量一样多。

概念

重原子核与中子相互作用时，原子核吸收了一个中子，生成一个复合核。由于中子具有结合能和动能，使它处于强烈的激发态，很不稳定。这种处于高激发态的复合核，或者以放出γ光子的形式退激，形成(n，γ)反应，或者是先形变，经进一步形变达“断裂点”，从而分裂成两个中等质量的碎片，这就是核裂变反应。

反应过程

当热中子（它的动能跟常温下气体分子的动能差不多）进入一些具有奇数中子的重原子核（铀-235，铀-235，钚-239）内时，裂变就可能发生。重核分裂时产生两个较小的核和两个或更多个中子。

（铀-235平均产生2.5个中子）以及许多能量。典型的核裂反应如有：

235U 10n—→141Ba 92Kr 310n 能量

235U 10n—→103Mo 131Sn 210n 能量

式中10n是中子。

从上面的核反应方程来看，同一种核可能不只按一种方式分裂。裂变产物如14156Ba和9236Kr还能放射β粒子（0－1e）和γ射线（00γ），直到最后变成稳定的同位素。

141Ba—→0－1e 00γ 141La

92Kr—→0-1e 00γ 92Rb

这些反应的产物还能继续放出β粒子，在几个步骤之后，变成稳定的同位素，分别为141Pr和90Zr。

能裂变的235U在天然铀矿中只占0.7%，其余的99.3%都是不能被热中子分裂的238U。反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2～4%）制成的。裂变产生的是速度很大的快中子，很容易被铀-235俘获而不发生裂变，必须设法把快中子变为慢中子。因此，要在铀棒周围放上叫做减缓剂的物质，它们不吸收或很少吸收中子，使快中子跟它们碰撞后，能量减小，速度减缓。常用的减缓剂有石墨、重水和普通水。如果放出的快中子被减缓速度，它们就能引起其他重原子发生裂变，这些核放出9个中子再引起9个铀原子核裂变，这些裂变产生的27个中子再产生81个中子，……。这个过程叫做链式反应。在一定体积内，铀样品应具有足够的量维持链反应，这最低的样品量叫做临界质量。

裂变释放的能量

发生裂变时放出的巨大能量，可以按著名的爱因斯坦质能关系式E=mc2计算。这里，E是来自一定质量m损失的能量，c是光速。如果使彼此分开的中子、电子和质子结合成任一特定的原子，就会发生质量亏损。例如，根据各组成粒子的质量能算出一个42He原子质量是4.032982u。而由42He原子的实测质量是4.002604u，所以质量亏损是0.030378u。由于原子比彼此分开的中子、质子和电子更稳定，原子处于较低的能级。因此，假定42He原子由分开的质子、电子、中子构成，则每个原子损失的0.030378u将以能量的形式释放出来。跟质量亏损相当的能量叫做原子核结合能。结合能和键能类似，两者都是把整体（原子核或分子）拆散成基本组分所需能量的量度。彼此分开的核粒子比它们在核内结合时有更大的质量。

原子序数在30～63之间的元素比起非常轻和非常重的元素，每个核粒子有较大的质量亏损，这意味着最稳定的核存在于原子序30～63的元素之间。由于它们相对稳定性较好，绝大部分的核裂变产物都是原子序数为中间的元素。因此，当发生裂变并生成较小的更稳定的核时，这些粒子的总质量减小，质量必然要转变为能量。

1kg235U或239Pu裂变时释放的能量约相当于20000tTNT。

应用意义

核裂变反应是反应堆中最重要的核反应。它的重要性在于，核裂变过程有大量的能量释放出来，同时释放出中子。这就有可能在适当的条件下使这一反应过程自动持续下去，构成所谓“链式反应”，而人们就能够不断地利用核反应过程中释放出来的能量或中子。

核裂变的发现开始了核能时代，反应堆的发展使核能利用变成了现实，并缓解了化石燃料日益枯竭的能源危机。发展核电首先必须保证反应堆的安全性，同时还应不断提高它的可靠性和经济性。这除了需精心设计、建造和运行外，合理选择反应堆材料也是保证上述三性的关键。反应堆的创始人费米早在1946年就曾指出“核技术成功的关键取决于堆内强辐射下材料的行为”，这个预言已被反应堆的实践和发展所证实，反应堆材料在核电站中的作用和地位十分重要。

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