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核裂变的简介及应用

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：吴长治

[导读] 铀核裂变是由德国放射化学家Otto Hahn (1879~1968)和Fritz Strassmann (1902~1980)于1938年共同发现的。这是科学史上最伟大的发现之一。核裂变的应用十分广泛。核电站每年可以产生价值数十亿美元的电力，核反应堆可以用于大规模生产临床治疗所需的放射性同位素。本文详细介绍了裂变的过程，深入探讨了核裂变的应用，以期为相关人员提供参考。

徐州市第一中学吴长治 221004

摘要：铀核裂变是由德国放射化学家Otto Hahn (1879~1968)和Fritz Strassmann (1902~1980)于1938年共同发现的。这是科学史上最伟大的发现之一。核裂变的应用十分广泛。核电站每年可以产生价值数十亿美元的电力，核反应堆可以用于大规模生产临床治疗所需的放射性同位素。本文详细介绍了裂变的过程，深入探讨了核裂变的应用，以期为相关人员提供参考。
关键词：核裂变；原子核；中子；核能
        1引言
        核裂变现象最早是由汉恩?斯特拉斯曼（Hahn＆Strassmann）在1938年发现的。裂变是核物理的一个重要分支，但它的理论模型与核物理的其余分支大相径庭。核裂变的基本原理是比较容易理解的，但是科学家还不能熟练地应用这些理论解决实践中的问题。与核物理中的其他模型相比，应用裂变相关数据建立的模型是相对粗略的。这是因为，原子核实际上是一种非常复杂的粒子。低能核物理主要研究最外层核子的重排，其余核子几乎不会发生变化，而且低能核物理涉及的能量变化是相当小的。但是，在核裂变中，即使只有一个核子或两个核子发生重排，也会涉及到巨大的能量变化。
        对核裂变过程进行深入的研究，有助于促进物理学家认识物质的本质。科学家试图通过研究核裂变，得到有关原子核和许多其他粒子的相互作用的信息。他们发现，发生裂变的原子核的形状会发生变化，它必须从圆形或椭圆形，变为细长的哑铃形，最终分成两个碎片。在较低温度下的其他核反应中，科学家几乎无法观察到如此大规模的核子运动。它提供了关于核物质的非常有价值的信息。事实上，与核裂变相关的数据蕴含着有关核物质粘度的重要信息；质子和中子在形成的两个碎片之间的分布，反映了核物质的电极化性。此外，裂变过程可以提供大量有关粒子和波的重要信息。不过，裂变理论和裂变实验都是非常复杂的。到目前为止，科学家几乎不可能根据传统的实验方法，深入研究核裂变的具体过程。应用高速发展的数据处理技术，科学家可以将核裂变的过程分为不同的阶段，从而对每一阶段的核子特征和能量变规律进行深入的研究。
        2核裂变的发现
        2.1中子的发现
        早在1920年，卢瑟福就预言了原子核中存在某种中性粒子：他从粒子穿过薄金属箔的实验中得知，原子由被电子云包围的极小的带正电的原子核组成。
莫斯利（Moseley）的开创性研究，使人们了解了各种元素的原子核所带电荷。科学家合理地假设，原子核的核电荷与相应数量的质子密切相关，事实证明，一个原子（或原子核）的质量通常约为根据质子数量计算得出的理论值的两倍。这一事实使卢瑟福预测了原子核中质子以外的电子的存在。他认为这些核内电子与“带正电的单元形成了非常紧密而有力的结合。”1927年，一些研究人员提出了一个重要的假说：电子是原子内部的独立实体。上述形式的原子核是不可能存在的，因为局限于原子核内的电子能量太高，它们无法稳定地存在于原子核内[1]。
        科学家认为，原子核内可能存在一种中性粒子。博特和贝克尔（Bothe and Becker）偶然地发现，当锂和铍等轻元素暴露于氢辐射时，会释放出10MeV的能量。居里和乔利奥特（Curie and Joliot）也研究了这种辐射。这些作者发现，质子从石蜡中弹出时，会释放出50MeV的能量，这与Bothe和Becker的结果有很大的差异。
        最后，查德威克通过测量来自石蜡的反冲质子能量和气态氮中的反冲氮原子能量，研究了铍暴露于210Po的颗粒时发出的辐射。他假设这一未知辐射是伽马辐射，并且散射机制遵循康普顿散射定律，但是结果与理论推导不一致，康普顿散射发生在相应的原子核（质子或氮）周围，而不是电子周围。然而，当他假设未知的辐射是由粒子（质量等于质子、且不带电荷的粒子）而不是光子组成时，结果与理论推导几乎完全一致。可以产生中子的核反应为
        9Be+α→12C+1n                        (2-1)
        中子的发现，首次为核物理学家提供了一种进行人工核反应的简单方法。中子的生产不需要昂贵的大型加速器。把铍粉在发射器的小管中混合，就可以制造出一个每秒产生106个中子的中子源。中子不带电荷。因此，它们不必克服库仑势垒，因此不必加速，即可进入原子核。相反，对于能量较小的中子（热中子），“捕获截面”通常较大，这种中子的速度较小，其在特定原子核附近的停留时间较长[2]。
        原子核在捕获中子时，会产生质量更大的同位素，形成的原子核通常不稳定，它会发生β衰变。在发生β衰变时，原子核内的中子会转化为质子、电子和反中微子。因此，中子俘获的净结果通常是放射性同位素的产生。这些元素在衰变时，将形成具有更高原子序数的元素的同位素。形成的同位素可能是稳定的，也可能是放射性的，它们可能需要经历另一次核裂变，以达到稳定的状态。
中子源的发明，为生产大多数元素的放射性同位素提供了新的方法。在接下来的几年中，科学家尝试用中子照射元素周期表中的几乎所有元素，使其发生裂变反应，他们得到了多种放射性元素[3]。
        2.2 寻找“超铀元素”
        铀是当时已知的所有元素中最重的元素，它的原子序数Z是92。科学家对铀元素进行了深入的研究，他们发现，在发生中子俘获和β衰变后，铀元素变成了一种未知的新元素，科学家称之为“超铀元素”）。科学家应用与元素周期律相关的知识，预测了这种“超铀元素”的化学性质，他们推测，这种元素属于过渡元素，它的硫化物应该是难溶的。可以利用“超铀元素”的这种性质，将其与铀元素分离。费米及其同事用中子照射铀，他们发现，从溶液中沉淀出的硫化物中，确实存在放射性产物。这些科学家还发现，这种“新元素”还可以继续发生β衰变，这条裂变反应链可以产生多达六种放射性同位素。事实上，他们发现的元素并非93号元素，而是碲、锑这类比铀轻的元素[4]。
        2.3哈恩和斯特拉斯曼对裂变过程的解释
        1938年12月，哈恩、斯特拉斯曼在他们位于柏林的实验室中用中子轰炸元素时，有了意外的发现。他们发现，铀核在受到中子轰击的过程中，可以分裂成两个大致相等的碎片。

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这些新元素并不是恩里克?费米（Enrico Fermi）发现的“超铀元素”，而是钡的放射性同位素和铀原子裂变后的其他碎片。哈恩等科学家称量了实验产物的重量，他们发现，这些产物比原始铀核的重量更轻。根据爱因斯坦的质能方程，裂变过程中损失的质量，必然会转化为粒子的动能，而粒子的动能又可以转化为热能[5]。
        哈恩和斯特拉斯曼发现，除释放大量能量外，裂变过程还有另一个重要特征，那就是中子的发射。当铀元素发生裂变时，释放的能量可以加热所产生的中子，使中子在飞散时撞击裂变反应的两个主要碎片。单个铀核的裂变，不仅可以产生大量的能量，而且还可以诱导其他原子发生裂变反应，从而产生更多的能量。这种“链式反应”的应用前景十分广阔。受控的自持式链式反应可以将储存在原子核中的能量转化为大量的热能和动能，而不受控的核反应可以产生巨大的爆炸力。
        3核裂变的应用
        3.1能源领域
        能源是全世界各个国家都在关注的问题。随着经济的快速发展，我国对能源的需求日益增大，开发新能源对我国的意义十分重大。在开发和利用能源的过程中，科学家和工程学家遇到了巨大的挑战。化石燃料是不可再生的，且化石燃料在燃烧的过程中会严重地污染环境。可再生能源逐渐成为了人们的重点关注对象。
        核能是一种清洁、安全、可靠的绿色能源，它被誉为世界范围内唯一可以达到工业化应用规模的能源，一些科学家认为，核燃料能够大规模代替传统化石燃料，其应用前景十分广阔。
        3.1.1 核燃料的储量
        当前，人类只能利用铀元素裂变时释放出的能量发电。虽然可裂变的235铀仅占铀储量的0.27%，但是铀的总储量非常大，因此，235铀的资源还是相当丰富的。有关资料显示，已知的铀储量约为460万吨。
        中国是铀资源比较丰富的国家之一。1954年，我国的科学家首次在广西发现了铀矿石。在半个世纪中，许多科学家和工程学家不断探索，在国内的多个地区找到了铀矿石，并建设了多个铀资源基地。近年来，一些科学家又在我国的北方地区发现了可地浸砂岩型铀矿床。根据专家估计，中国有170万t的铀资源。由此可见，我国的核燃料储备是非常丰富的[6]。
        3.1.2 利用核裂变能发电
        核电是利用核能发电的一种发电方式，它具有供应能力强、发电规模大、发电效率高、清洁无污染等特点。在不久的将来，核电将成为与火电、水电并列的电力能源。目前，核裂变是产生核能的主要途径。
        在低能核物理领域，科学家主要研究最外层核子的重排，重排过程所涉及的能量变化是非常小的。在核裂变中，即使仅有一个核或两个核参与催化重排，也可以释放出巨大的能量。按照E=mc^2计算，原子核每发生1单位的质量亏损，就能释放出约930MeV的结合能。在化石燃料燃烧时，如果一个碳原子与氧原子发生反应，只能发生微小的质量亏损，释放出的能量只有约4.1eV；当235U发生裂变时，每个铀核可以释放出213.8MeV的结合能，是碳氧结合所释放的能量的260万倍。可以说，裂变反应所释放的能量是十分惊人的。根据核物理学家的计算，1g铀发生裂变反应时，释放出的热能相当于2.6t标准煤全部充分燃烧时释放出的能量。因此，核裂变在能源领域有着十分广泛的应用[7]。
        按照反应堆的冷却方式，可以将其分为压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子堆等[8]。快中子反应堆以239Pu为裂变材料，以238U为增殖材料，239Pu通常被置于反应堆的中心区，238U通常被置于反应堆芯的周围。快中子堆中一般没有慢化剂。当用快中子轰击239Pu，使其发生裂变时，239Pu会释放出更多的快中子。一部分中子继续轰击其他的239Pu而维持链式反应，多余的中子则轰击238U，238U在吸收中子后将发生2次β衰变，形成新的239Pu，当新生的239Pu比消耗的239Pu多时，就实现了燃料增殖。理论上，借助这种方式，238U资源可以被全部充分利用。事实上，由于存在各种消耗，238U的利用率仅为60%~70%。
        经过40多年的发展，核电技术已经十分成熟。可以预见，在化石燃料即将耗尽之时，核裂变能将在21世纪得到更加广泛的应用。未来的主要研究方向为：进一步完善压水堆的安全措施，建造更多的压水堆；加速开发钚—铀循环和钍—铀循环快中子堆，从而更有效地利用有限的核裂变燃料；加速开发安全性能优越的气冷反应堆，从而提高核能利用的安全性[9]。
        3.2 军事领域
        许多放射性元素也可以用于制造核武器。铀-235和钚-239等较容易裂变的重原子核在发生核裂变的瞬间，会释放出巨大的能量，这就是原子弹爆炸的原理。如果将高纯度的核燃料置于核弹头中，那么一个自由的中子就可以引发链式反应，巨大的能量将在极短的时间内被释放出来，引发恐怖的爆炸[10]。
        4 结语
        核裂变是上世纪的一项伟大发现，其对人类社会有着深远的影响。几十年来，许多核物理学家对核裂变的机制进行了深入研究。他们提出了许多重要的理论。这些理论可以帮助人们更深入地理解核裂变的发生过程，从而更高效地利用核裂变能，为解决能源问题提供新思路。目前，虽然科学家已经完成了大量与裂变有关的实验测量，但这些测量结果还远远不够。核物理学家还需要开展更深入的实验，得到更可靠的实验数据，从而不断修正核裂变的理论模型。此外，在设计各类反应堆的过程中，物理学家和工程学家需要留有一定余地，从而提高核能利用的安全性。
参考文献
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[3]李瀚.论新型材料在可持续性能源发展中的应用前景[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(03):69-70.
[4]邵宽. 核燃料中裂变产物行为的理论研究[D].中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2017.
[5]姚付良. 基于CLYC的中子-γ复合探测电子学系统设计[D].成都理工大学,2017.
[6]廖宏图.空间核动力技术概览与发展脉络初探[J].火箭推进,2016,42(05):58-65+81.
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[8]李悠然. 核电厂安全喷淋专设控制的可靠性研究[D].上海交通大学,2016.
[9]蒋金鸽. 超重核产生截面及锘同位素的转动性质研究[D]. 郑州大学, 2013.
[10]王龙. 先进核反应堆用铅铋合金热物理性能实验研究[D].合肥工业大学,2014.