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核武器物理的基礎(chǔ)知識(shí)：何謂臨界質(zhì)量
鈾-235每次裂變平均放出2.5個(gè)中子。但這些中子并不是每一個(gè)都能引起新的裂變。它們?cè)阝檳K里的遭遇可能是各種各樣的。不管怎樣，如果我們要使核裂變能連鎖式地進(jìn)行下去，那么必須在核裂變所放出的中子當(dāng)中，至少平均有一個(gè)能夠再引起新的核裂變才行。用原子核物理的術(shù)語來說，就是要使中子的“增殖系數(shù)”大于1。那么，在實(shí)際情況下中子在鈾塊中究竟有那些遭遇？滿足一些什么樣的條件就可使中子的增殖系數(shù)大于1呢？
我們先來具體分析一下在鈾塊中能使中子數(shù)目增加和減少的各種因素，以及這些因素的大小，然后在此基礎(chǔ)上考察鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以進(jìn)行的條件。圖2.16上的①②③④⑤對(duì)應(yīng)于下面分析的五種情況：
中子在鈾塊里的遭遇
① 不論中子的速度如何，只要打中鈾-235的核，都有相當(dāng)大的可能引起裂變，而使中子數(shù)目增加。
② 如果中子能量大于1.1兆電子伏，當(dāng)它打中鈾-238后，也有可能引起核裂變而使中子數(shù)增加。但更可能的還是鈾核非彈性散射掉，因而使中子的能量變到1.1兆電子伏以下。
③能量小于1.1兆電子伏的中子打中鈾-238不能引起裂變，但鈾-238可能吸收中子，最后變成钚。這個(gè)反應(yīng)使中子數(shù)減少。
④ 由于在原子里核只占一個(gè)很小的空間，中子在鈾塊中穿來穿去不一定能打中鈾核。如果鈾塊不大，則很大一部分中子在碰到鈾核之前已經(jīng)跑到鈾塊外面去了。這樣鈾塊里能引起裂變的中子數(shù)也就減少。
⑤ 鈾塊里多少會(huì)含有一些雜質(zhì)，有些雜質(zhì)（例如硼）對(duì)中子吸收特別厲害，吸收后也不再放出中子。這樣中子數(shù)也會(huì)減少。
上面講的五種遭遇，只有①②兩種引起鈾-235和鈾-238核裂變才對(duì)核反應(yīng)的鏈?zhǔn)竭M(jìn)行有利。為了使中子增殖系數(shù)大于1，①②兩項(xiàng)增加的中子必須要比③④⑤項(xiàng)減少的中子數(shù)多才行。
各種能量的中子都能引起鈾-235分裂，而且速度愈慢的中子，被鈾-235吸收因而引起裂變的可能性也愈大。對(duì)于速度約為2200米/秒的慢中子（能量約1/40電子伏，稱為“熱中子”），鈾-235吸收它而發(fā)生裂變的可能性約為發(fā)生輻射俘獲可能性的5.4倍。對(duì)于鈾-238，則只有吸收能量在1.1兆電子伏以上的中子時(shí)，才可能發(fā)生核裂變，而且這種可能性與非彈性散射相比要小得多。能量低于1.1兆電子伏的中子，不能引起鈾-238的核裂變，而可能被鈾-238散射或俘獲。
核裂變產(chǎn)生的中子的能量大小不等。
裂變中子能量分布
雖然能量在1.1兆電子伏以上的中子數(shù)不少，但是如上所說，快中子和鈾-238相碰，因非彈性散射損失掉一部分能量的可能性比引起裂變的可能性要大得多。因此，只有很小一部分快中子能引起核裂變。快中子在與鈾-238非彈性碰撞時(shí)能量降低很快，經(jīng)幾次碰撞能量就降到1.1兆電子伏以下，這時(shí)不可能再引起鈾-238的裂變，而是被它吸收。中子動(dòng)能在1.1兆電子伏以上，它不論碰到鈾-235或鈾-238都可能引起裂變，因此這時(shí)的中子數(shù)目增加，我們把這時(shí)增加的倍數(shù)叫做e 。中子很快地在碰撞過程中減小了動(dòng)能，在碰撞了多次之后變成熱中子。如果在此碰撞過程中，被鈾-238或被減速劑吸收，就不能再產(chǎn)生新中子；如果未被吸收，則有可能引起裂變而產(chǎn)生新中子。設(shè)這個(gè)未被吸收的幾率為q（q<1）。在熱中子的情況下，設(shè)中子被鈾吸收的幾率為f，每一個(gè)被鈾吸收的熱中子平均能產(chǎn)生h個(gè)中子。如果開始有m個(gè)中子在鈾快里，則經(jīng)過一代裂變后，中子必然變成m×e×q×f×h個(gè)。中子增殖系數(shù)以l表示，則
l＝meqfh/m＝eqfh
l大于1，才能使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行。l＝1時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)剛剛能夠維持，這是一個(gè)臨界值。l＝1時(shí)鈾塊的質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量，這時(shí)的鈾塊體積稱為臨界體積。因此可以明白，所謂臨界質(zhì)量，它是指裂變物質(zhì)在特定條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的最少裂變物質(zhì)的質(zhì)量。與臨界質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的裂變物質(zhì)的體積稱為臨界體積。顯然這些都是核武器裝料中所涉及的重要問題。它同裂變物質(zhì)的種類、純度、密度以及裝料的幾何形狀和特殊的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。
裂變物質(zhì)有釷-233、鈾-235、钚-239等幾種，它們與中子碰撞產(chǎn)生裂變或發(fā)生吸收的幾率各不相同，因此，裂變物質(zhì)的種類影響l值。裂變物質(zhì)的純度影響上式的q值。裂變物質(zhì)的密度大，也就是其中的原子核排得很密，中子在里面碰到核的幾率大，可能跑出去的幾率小。幾何形狀與表面積有關(guān)，表面積大，中子泄漏出去的就多。裂變物質(zhì)最好是球形，因當(dāng)其質(zhì)量一定時(shí)其表面積最小。臨界質(zhì)量也與裂變物質(zhì)的外包介質(zhì)有關(guān)，因?yàn)楹笳邥?huì)使外洩中子反射回裂變物質(zhì)中，從而降低臨界質(zhì)量。
如果鈾塊里雜質(zhì)已經(jīng)除凈，鈾塊又非常大或者加反射層使跑出去的中子全被反射回來，這樣④⑤兩項(xiàng)的影響就能完全去掉。如果全部用純凈的鈾-235，則②③兩項(xiàng)的影響也沒有，只有第①項(xiàng)的作用，使中子數(shù)目增加，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一定能夠進(jìn)行。原子彈基本上就是這樣做的。但是天然鈾中只含有0.7%的鈾-235，而鈾-235和鈾-238的化學(xué)性質(zhì)又完全相同，要想從天然鈾中分離出鈾-235來，是一件很困難和復(fù)雜的事情。
