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,是核子反应堆核子武器設計中的一個重要概念。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,核裂變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,核裂變的速率會隨時間減少,稱之為「次臨界」。

各種光滑球體的臨界質量[编辑]

能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料,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
(公斤)
临界直径
(厘米)
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]
-247 1380 75.7 11.8-12.2 [9]
-249 351 6 9 [2]
-251 290 5 8.5 [2]
-252 2.6 2.73 6.9 [10]

純度較低的鈾,臨界質量會有所增加。例如20%的鈾-235,以4厘米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。

核武器設計[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」。鈽核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈽原子彈「胖子」的鈽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鈽擠壓,增加密度及減少空間,造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。

相关条目[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Nuclear Weapons Design & Materials 互联网档案馆存檔,存档日期2010-11-05., The Nuclear Threat Initiative website页面存档备份,存于互联网档案馆).
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport页面存档备份,存于互联网档案馆), 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 Archived 2011-08-22 at WebCite, Challenges of Fissile Material Control页面存档备份,存于互联网档案馆)(1999), isis-online.org
  4. ^ 存档副本. [2015-03-11]. (原始内容存档于2011-06-06). 
  5. ^ 5.0 5.1 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238页面存档备份,存于互联网档案馆), U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
  6. ^ 6.0 6.1 Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium页面存档备份,存于互联网档案馆), Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 存档副本 (PDF). [2015-12-11]. (原始内容 (PDF)存档于2007-07-10).  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 互联网档案馆存檔,存档日期2010-09-20., Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)
  9. ^ Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport"页面存档备份,存于互联网档案馆), p. 16
  10. ^ [1]Section 6.0 Nuclear Materials