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可裂变物质

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核工程中,可裂变物质指的是有能力维持核裂变链式反应的一种物质。根据定义,可裂变物质可以通过任意能量的中子来维持链式反应,而主要的中子能量可能是慢中子或者快中子。这样可裂变物质可以用作以下设备的核燃料

可裂变物质与可以裂变物质[编辑]

可以发生裂变的物质与这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质指的是任何原子核可以发生核裂变的物质,而可裂变物质特指那些能够俘获低能量中子发生裂变,从而具有维持链式反应的能力。例如钚-239是可裂变物质,而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变,仅仅是可以发生裂变的物质。因此,可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分,所有的可裂变物质都可以发生裂变,但并不是所有可以发生裂变的物质都是可裂变物质。

铀-238是一种典型的可以发生裂变的物质,但是无法维持中子的链式反应。铀-235裂变产生的中子能量大约是2兆电子伏特(相当于20000千米/秒),仅仅有一小部分有足够的能量使铀-238发生裂变。但是核聚变反应产生的中子的能量达到14.1兆电子伏特(相当于52000千米/秒),可以很有效的使铀-238和其它不是可裂变物质的超铀元素发生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使铀-238发生裂变,因此铀-238无法维持链式反应。核武器爆炸的第二阶段中铀-238的快速核裂变可以大幅度提升核武器当量,同时也产生了大量的放射性尘埃。铀-238的快速核裂变同时也是一些快速核反应堆的能量的主要来源。

在武器控制的条约中,特别是禁止生产核武器用裂变物质条约的提案中,可裂变物质通常用来指主要用于核武器中的可裂变物质[1] 。这些物质可以维持有爆炸性的裂变链式反应。符合这个定义但不符合通常核物理中定义的物质是镎-237

用于核燃料的可裂变核素[编辑]

可裂变核素的中子俘获/裂变比例
热中子 超热中子
σF σγ % σF σγ %
531 46 8.0% 233U 760 140 16%
585 99 14.5% 235U 275 140 34%
750 271 26.5% 239Pu 300 200 40%
1010 361 26.3% 241Pu 570 160 22%

核燃料中的可裂变核素包括以下几种:

可裂变物质的核素俘获一个中子后并不一定会发生裂变。发生裂变的概率取决于原子核的种类和中子的能量。对于低能中子和中等能量的中子,中子俘获发生裂变的反应截面为(σF),而俘获后放出γ射线反应截面为 (σγ),不发生裂变的比例如右表所示。

哪种核素是可裂变物质?[编辑]

锕系 半衰期 裂变产物
244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10~30 y 137Cs 90Sr 85Kr
232 f 238Pu f代表
裂变
69~90 y 151Sm nc➔
4n 249Cf  f 242Amf 141~351 y 没有半衰期为
102年至2×105
的裂变产物
241Am 251Cf  f 431–898
240Pu 229Th 246Cm 243Am 5~7 Ky
4n 245Cmf 250Cm 239Pu f 8~24 Ky
233U    f 230Th 231Pa 32~160 Ky
4n+1 234U 4n+3 211~290 Ky 99Tc 126Sn 79Se
248Cm 242Pu 340~373 Ky 长寿命裂变产物
237Np 4n+2 1~2 My 93Zr 135Cs nc➔
236U 4n+1 247Cmf 6~23 My 107Pd 129I
244Pu 8 My >7% >5% >1% >.1%
232Th 238U 235U    f 0.7~12 By 裂变产物产额

一般来说,大多数具有奇数个中子的超铀元素同位素是可裂变物质。大多数核燃料的原子量都是奇数,原子序数是偶数,这也意味着中子数是奇数。更一般的,具有偶数个质子和偶数个中子的元素,如果它们处于原子序数-原子量曲线附近的话,要比其他同位素更稳定,因此也更不容易发生裂变。这些元素很可能忽视这些中子,让他们继续前进,或者仅仅是吸收这些中子。他们也不容易自发裂变,因此他们拥有很长的α衰变β衰变的半衰期,比如铀-238和钍-232。另一方面,有奇数个中子和奇数个质子的同位素寿命都比较短,因为他们很容易发生β衰变,产生具有偶数个中子、偶数个质子的同位素,这些同位素更加稳定。

可裂变物质规则[编辑]

根据可裂变物质规则,原子序数在在90到100之间,2倍中子数与质子数之差是43 ± 2的重元素的同位素是可裂变物质。[2]

核燃料[编辑]

能够称为核裂变反应堆的核燃料的物质需要:

  • 处在束缚能量曲线上裂变链式反应可能的区域。
  • 发生中子俘获后有较大比例发生裂变。
  • 俘获一个中子以后平均能放出两个或者更多的中子,这样可以补偿不发生裂变以及被中子减速剂吸收的中子。
  • 半衰期比较长。
  • 可以提供合适的储量。

合法控制[编辑]

国际原子能机构根据可裂变物质运输时的安全需求曾经将它们分成如下几类[3][4]

  • 第一类:没有控制
  • 第二类:物质运输量受限
  • 第三类:运输时需要特殊安排

但是这些类别在二十世纪九十年代中期被替换了[5]

参考文献[编辑]

  1. ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons, International Panel on Fissile Materials
  2. ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152, 334
  3. ^ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
  4. ^ 10CFR71, 49CFR173.403
  5. ^ 49CFR & 10CFR71 changes

参见[编辑]