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]

Partially-reflected-plutonium-sphere.jpeg
Critical mass.svg


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。

以下為普通球形,沒有中子反射之下的臨界質量:

同位素 半衰期
(年)
临界质量
(kg)
临界直径
(cm)
参考
-233 159,200 15 11 [1]
鈾-235 704,000,000 52 17 [1]
-236 154,000 7 8.7 [2]
-237 2,144,000 60 18 [3][4]
-238 87.7 9.04–10.07 9.5–9.9 [5]
-239 24,110 10 9.9 [1][5]
-240 6561 40 15 [1]
-241 14.3 12 10.5 [6]
-242 375,000 75–100 19–21 [6]
-241 432.2 55–77 20–23 [7]
-242 141 9–14 11–13 [7]
-243 7370 180–280 30–35 [7]
-243 29.1 7.34–10 10–11 [8]
-244 18.1 13.5–30 12.4–16 [8]
-245 8500 9.41–12.3 11–12 [8]
-246 4760 39–70.1 18–21 [8]
-247 15,600,000 6.94–7.06 9.9 [8]
-249 351 6 9 [2]
-251 290 5 8.5 [2]
-252 2.6 2.73 6.9 [9]




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600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」。

参考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Nuclear Weapons Design & Materials, The Nuclear Threat Initiative website.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport, Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
  3. ^ Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium, Challenges of Fissile Material Control (1999), isis-online.org
  4. ^ http://www.lanl.gov/news/index.php?fuseaction=home.story&story_id=1348
  5. ^ 5.0 5.1 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238, U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
  6. ^ 6.0 6.1 Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium, Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 http://typhoon.tokai-sc.jaea.go.jp/icnc2003/Proceeding/paper/6.5_022.pdf Dias et al.
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 , Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)
  9. ^ [1]Section 6.0 Nuclear Materials

相关条目[编辑]