臨界質量

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臨界質量是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料,受核子的性質(如裂變橫切面)、物理性質、物料型狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響,而會有不同的臨界質量。

剛好可以產生連鎖反應的組合,稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合,核反應的速率會以指數增長,稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應,這種臨界被稱為即發臨界,是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小,裂變會隨時間減少,稱之為次臨界。

恩里科·費米最先發現超臨界組合,不一定同時是超過即發臨界。他的發現開展了受控制的連鎖反應的研究,後來發展的核子反應堆及核能都是出於這一發現。

球狀的臨界質量[编辑]

能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四週加以中子反射物料,臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。鈈則為10公斤左右。

以下為各種半衰期超過100年的同位素,在普通球形,沒有中子反射之下的臨界質量:

  • -233: 15公斤
  • 鈾-235: 48.8公斤
  • -237: 60公斤
  • -239: 10公斤
  • 鈈-240: 40公斤
  • 鈈-242: 100公斤
  • -241: 60-100公斤
  • 鋂-242: 9-18公斤
  • 鋂-243: 50-150公斤
  • -245: 12公斤
  • 鋦-246: 70公斤
  • 鋦-247: 7公斤
  • -251: 9公斤

純度較低的鈾,臨界質量會有所增加。例如20%的鈾-235,以4 cm厚的鈹反射中子臨界質量達400公斤。若如果純度只為15%,臨界質量更高達1000公斤。

武器[编辑]

核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例,可以把鈾分成數大塊,每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈是把一小塊的鈾透過鎗管射向另一大塊鈾上,造成足夠的質量。這種設計稱為「鎗式」。 鈈核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈈原子彈「胖子」的鈈是造成一個在次臨界以下的中空球狀。引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈈擠壓,增加密度及減少空間,造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。