原子彈是核裂變還是聚變

【專家解說】：原子彈(核裂變彈)的原理 I.原理: 原子核裂變鏈鎖反應(yīng) 以下的原子核裂變理論皆以核的液滴模型(Liquid Drop Model)為基礎(chǔ): Z:原子序數(shù)或質(zhì)子數(shù)(Atomic number or proton number) A:質(zhì)量數(shù)(Mass number) 所有Z2/A大於約等於45的極限值的核素(Nuclide),由於庫侖排斥力(Coulomb repulsion) 的作用超過表面張力的作用,都有可能自發(fā)地產(chǎn)生裂變.Z2/A叫做"裂變參量". 對於Z2/A<45的核素,如235U(Z2/A~36),裂變不會自發(fā)產(chǎn)生,而需要有一定的活化能- 即是,使核達到會進行裂變的某激發(fā)態(tài)(Excited State)所需的能量. 原則上,只要在一充分高的激發(fā)態(tài),任何原子核都可以進行裂變.活化能的作用 是使像一個液滴的原子核產(chǎn)生變形和振蕩,直到變成一個啞鈴形狀并導(dǎo)致分裂為止. 在由中子引起的裂變中,活化能來自打到靶核上中子的動能和中子進入靶核內(nèi)放出 的結(jié)合能: 活化能(Activation energy) = 中子動能(Neutron kinetic energy) + 結(jié)合能(Binding energy) 為使裂變成功,所需最小的入射中子動能叫"中子裂變門檻"或簡稱"裂變門檻". 如果結(jié)合能大於活化能,裂變門檻就小於零,即裂變可由動能近於零的熱中子 引起.具有這種性質(zhì)的原子核叫做"易裂變核".三個最重要的易裂變核是233U, 235U及239Pu.一般的規(guī)律是,具有奇數(shù)個中子的核素為易裂變核或有較低的 裂變門檻,而具有偶數(shù)個中子的核素有較高的裂變門檻. 靶核 復(fù)合核 裂變門檻(MeV) 232Th 233Th 1.3 233U 234U < 0 234U 235U 0.4 235U 236U < 0 236U 237U 0.8 238U 239U 1.2 237Np 238Np 0.4 239Pu 240Pu < 0 裂變過程之所以一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起人們的極大注意,主要是因為兩點: 1.裂變中每個原子核放出的能量比當時已知的任何一種核反應(yīng)大十倍以上. 2.由中子引起的裂變中重新又放出一個或以上的中子,顯示了鏈鎖反應(yīng)進行的 可能性. II.條件: 把易裂變物質(zhì)從次臨界狀態(tài)瞬速轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài) 考慮一個由235U,238U及其他物質(zhì)組成的系統(tǒng). 設(shè)v是235U每次裂變所放出中子的 平均數(shù),P是所放出中子在系統(tǒng)中被吸收而不漏泄出去的機率,q是中子被鈾吸收而 不是被其他物質(zhì)吸收的機率,f是被鈾吸收的一個中子能引起235U裂變的機率,那麼 系統(tǒng)的有效增殖系數(shù): ke=kP=vfqP (1) 便是每個中子在系統(tǒng)內(nèi)完成一次循環(huán)后增殖成的平均個數(shù),式中 k=vfq (2) 是當系統(tǒng)很大,可以不計中子的漏泄(P=1)時的增殖系數(shù)之值. 注意,k只與系統(tǒng)中材 料的構(gòu)成有關(guān),而和它的形狀及尺寸無關(guān).當 ke=1 (3) 時,系統(tǒng)處於臨界狀態(tài)(Critical state),這時的尺寸叫做臨界大小. ke>1 時,系統(tǒng)處於超臨界狀態(tài), ke<1 時,系統(tǒng)處於次臨界狀態(tài). 因此,(3)式叫做系統(tǒng)的臨界條件. P則直接和系統(tǒng)的形狀,尺寸以及中子在系統(tǒng)中的 平均自由程有關(guān). 1.系統(tǒng)尺寸相對於中子的平均自由程越大,同時系統(tǒng)形狀越接近球形(即表面積對 體積之比越小),系統(tǒng)中產(chǎn)生的中子就越難泄漏出去,機率P也就越接近一; 2.系統(tǒng)中除鈾以外的物質(zhì)吸收中子越少,機率q越大; 3.機率f則隨鈾中同位素235U含量的增加而變大. 如果假設(shè)各種物質(zhì)在系統(tǒng)中均勻分布,N5,N8,及N'分別為每單位體積中235U,238U 及其他物質(zhì)(看成一種平均等效核素)的原子核數(shù)目,而A5a,A8a,及A'a分別為它們 各自吸收中子的截面, A5f為235U的裂變截面.則可寫出機率q及f的表達式如下: q=(N5A5a+N8A8a)/(N5A5a+N8A8a+N'A'a) (4) f=N5A5f/(N5A5a+N8A8a) (5) 可見, q確隨N'A'a的減小而增大, f確隨比值N5/N8的增加而變大.機率P的表達式更 麻煩一些.如果假設(shè)系統(tǒng)中所有中子都具有同一速度,那麼就可從理論上得到下列 結(jié)果: P=1/(1+B2M2) (6) 式中M是中子在系統(tǒng)中的"徙動長度",大約正比於中子的平均自由程: l=1/(N5A5+N8A8+N'A') (7) B叫做系統(tǒng)的"拉氏參數(shù)",與系統(tǒng)的形狀和大小有關(guān).若系統(tǒng)為球形且具半徑R,則近 似有: B=p/R (8) 從(1),(3)及(6)式可以得到在臨界狀態(tài)時的關(guān)系: k=1+B2M2 或 B2=(k-1)/M2 (9) 於是用(8)式可求出的臨界半徑: Rc=pM/(k-1)1/2 (10) 及臨界體積: Vc=(4p4/3)M3/(k-1)3/2 (11) 而臨界質(zhì)量則等於rVc,這里r是系統(tǒng)中物質(zhì)的平均密度. 如果設(shè)法讓系統(tǒng)很快從次 臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài),系統(tǒng)中的中子就會很快增殖并在很短時間內(nèi)使大量235U 裂變,放出大量能量,引起核爆炸.這就是原子彈爆炸的原理. 使系統(tǒng)很快從次臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài)的辦法有兩個: 一個是將兩個次臨界但距臨界不太遠的子系統(tǒng),譬如兩個半球塊,從相隔一個距離(有 這距離時,整體還處於次臨界狀態(tài))很快并到一起,并攏成一個球,使整個系統(tǒng)變到超臨界; 另一個是將一個在常密度下是次臨界的系統(tǒng)很快壓到高密度,而達到超臨界. 前者叫壓攏型,后者叫壓緊型.壓攏型由次臨界向超臨界的過渡是顯然的. 至於壓緊型,現(xiàn)在根據(jù)(11)式討論一下一個系統(tǒng),譬如說一個球,在壓緊過程中是如何 從次臨界變到超臨界的: 由於增殖系數(shù)k只和材料性質(zhì)有關(guān),所以在壓緊過程中保持不變,變化的只是材料的密度p 和每單位體積的原子核數(shù)目N.設(shè)壓緊后r和N分別變成了br和bN (b>1),則由於徙動長度M 和N成反比,所以從(11)式知道,臨界質(zhì)量由rVc變成了rVc/b2,便可使系統(tǒng)通過壓緊從次臨界 變成超臨界狀態(tài). 開始引發(fā)裂變鏈鎖反應(yīng)的中子,可以由鈾的自發(fā)裂變提供. 注: 由於可進行裂變鏈鎖反應(yīng)的同位素235U的含量只占天然鈾的0.7%,其余都是不能參 與鏈鎖反應(yīng)的238U,因此我們需要用人工方法把235U的濃度增加,使之變?yōu)?quot;濃縮鈾", 才能使用. 經(jīng)過計算后,如235U的濃度是100%,而235U又被制成球形,則臨界質(zhì)量約等於20kg. 即是說,如果用壓攏型的方法,只要把235U的質(zhì)量瞬間增加至超過20kg,便能引起核爆. 在實際引爆時,先把兩個鈾半球塊(每個重超過10kg)放在一個空心圓筒內(nèi)的兩端,然后 在每個鈾半球塊后安裝一些炸藥 e.g.TNT,這樣只要同時引爆這些炸藥,兩個鈾半球塊 便會以高速沖向圓筒的中心,并結(jié)合成一個超過臨界質(zhì)量的鈾球,引發(fā)核爆! 投在廣島的Mk1型原子彈,就是壓攏型的. 投在廣島的Mk1型原子彈,代號為"小男孩(Little boy)" 至於壓緊型的引爆方法,是先把炸藥制成數(shù)塊炸藥片,然后均勻貼在重量僅少於 臨界質(zhì)量的鈾球上,只要同時引爆這些炸藥片,使鈾球向球的中心擠壓,鈾球便能 瞬速轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài),引發(fā)核爆. 投在長崎的Mk3型原子彈,就是壓緊型的,不過它不是使用235U,而是用239Pu作為 裂變原料.239Pu的好處是臨界質(zhì)量比235U小,只有8kg. 投在長崎的Mk3型原子彈,代號為"肥仔(Fat man)" 長崎原子彈的構(gòu)造: