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临界质量临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料,受核子的性质(如裂变横切面)、物理性质、物料型状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响,而会有不同的临界质量。

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简介编辑本段回目录

临界质量
临界质量
人们曾经援引这个描述原子反应过程的术语来比喻硅谷以及IT行业的迅速崛起——临界质量(critical mass)。临界质量是指知识技术积累到一定的临界点,新技术就会跟裂变反应一样爆发,并剧烈扩展。(引自《环球科学》2007年第二期《家家都有机器人》:“实际上,尽管它的发展令人振奋,前途一片光明,但谁也说不准这个行业何时才能成长到临界质量,甚至连它是否会达到临界点都无人知晓。”)

临界质量为维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量称为临界质量。少量的裂变材料不能维持链式反应(绝大多数中子逃逸了)。临界质量的大小取决于裂变材料的种类、结构密度几何形状以及核装置中有无中子反射层结构等。
 
刚好可能以产生连锁反应的组合,称为已达临界点。比这样更多质量的组合,核反应的速率会以指数增长,称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应,这种临界被称为即发临界,是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小,裂变会随时间减少,称之为次临界。
 
恩里科·费米最先发现超临界组合,不一定同时是超过即发临界。他的发现开展了受控制的连锁反应的研究,后来发展的核子反应堆核能都是出于这一发现。
 
在一定的材料成分和几何布置下,系统达到临界所需的易裂变物质的最小质量称为临界质量。任何由易裂变物质组成的系统,只有当它的质量达到或超过临界质量时,才能产生自持或发散的链式裂变反应。系统的临界质量与材料的成分有关,如易裂变材料的种类(235U,239Pu和233U)及其富集度,慢化剂材料(H2O,D2O和C)的性质和系统内各种材料所占的比例以及反射层的材料及其厚度等。临界质量也与系统内各种材料的几何排列和系统的形状(球形、圆柱形或长方形)有关
 

球状的临界质量编辑本段回目录

临界质量
临界质量
能够以最少的物料到达临界质量的形状是球形。如果在四周加以中子反射物料,临界质量可以更少。有中子反射的球形铀-235临界点为15公斤左右。钚则为10公斤左右。
 
以下为各种半衰期超过100年的同位素,在普通球形,没有中子反射之下的临界质量:
铀-233:15公斤
铀-235:50公斤
镎-237:60公斤
钚-239:10公斤
钚-240:40公斤
钚-242:100公斤
镅-241:60-100公斤
镅-242:9-18公斤
镅-243:50-150公斤
锔-245:12公斤
锔-246:70公斤
锔-247:7公斤
鉲-251:9公斤
纯度较低的铀,临界质量会有所增加。例如20%的铀-235,以4cm厚的反射中子临界质量达400公斤。若如果纯度只为15%,临界质量更高达1000公斤。
 

武器编辑本段回目录

核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例,可以把铀分成数大块,每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上,造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钚核弹不能以这种方法引爆。第一枚钚原子弹“胖子”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压,增加密度及减少空间,造成即发临界。这成设计称为“内爆式”。

有关资料编辑本段回目录

临界质量
临界质量
反射层
的作用不仅是通过反射使中子返回裂变物质中以减小临界质量,而且在于增加系统的惯性,延长它停留
在超临界状态的时间。这些效益多少由于从反射层反射回去的中子在各次裂变间隔时间较长而减弱。时间的延长不但是由于中子行程较长,而且也由于在反射层中非弹性散射造成能量损失。因此,反射材料的作用计算取决于反射材料的吸收藏面和散射截面.
 
饶有兴味的是,塞伯的早期计算得出在以铀—238为反射材料时,铀—235的临界质量为15公斤,钚—239为5公斤。两个数字都准确到合理误差以内。这也许在很大程度上是侥幸,因为当时作出的许多假设都是粗略的估计。尽管如此,这也足以说明当时的基本理论已经很先进。

佛里希派尔希斯的较小的铀235临界质量是按合理的理论计算出来的。整个冬天在地磁研究所的默尔·图夫的小组一直不断地努力改进截面值的测定工作;到了3月份图夫已能把铀235的快中子截面测定值送交英国,英国人根据这个数值确定的临界质量比佛里希和派尔斯的估计略大:不加反射器时约为18磅,如果包上适当的反射器则为9或10磅。

临界质量
临界质量
塞伯讨论了裂变截面、二次中子能谱、每一裂变的平均二次中子数(当时测到的约为2.2)、铀238俘获中子从而导致钚的过程以及为什么普通铀是安全的(这位年轻的理论家指出:“要使爆炸性的反应成为可能”,至少需要使铀235的浓度达到7%)等问题。他已经在把原子弹称作“小玩意儿”了,此后在山上成为原子弹的别名,这种遮人耳目的隐喻很可能是奥本海默杜撰出来的。塞伯所提出的计算法表明使用厚层的普通铀作为反射层铀235的临界质量是15公斤(33磅)。如果用钚并加以类似的反射层,临界质量可能是5公斤(1I磅)。这样,原子弹的心脏可能只有甜瓜大小的铀235,或者柑桔大小的钚,周围用西瓜大小的普通铀做反射层,两个紧套在一起的球的直径大约为18英寸。这样形状的重金属反射层重约一吨。
 
伯克利的理论家罗伯特.克里斯蒂设计了一个较为保守的实体弹芯,两个相配的半球总量不到一个临界质量,而内爆将把它们原有的密度至少挤压得增加一倍,缩短了裂变中子在原子核之间穿行的距离,从而使质量超过临界。弗里希的小组在6月24日用试验证实了弹芯的构型。对高密度形态的钚来说,在重反射层中临界质量是11磅;即一个硬壳果大小的钚中心有一个空洞以接受引爆器,“三一计划”的弹芯也不可能比一个小橙子大。

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标签: 临界质量

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