核裂变

互联网2013-11-14

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核的反应。具有核裂变的核燃料有铀 -235 、铀 -233 、钚 -239 ，目前正在运转的核电厂所使用的是铀 -235 。用慢中子轰击铀 -235 时，就起下列裂变反应：

裂变产物非常复杂，已发现的裂变产物有 35 种元素（从 _{30} Zn 到 _{64} Gd ），放射性核有 200 种以上。

核裂变所释放出的大量能量与质量亏损有关，可用爱因斯坦（ A ． Einstein ）公式进行计算

△ E= △ mc ^{2}

式中△ E 表示系统能量的改变量△ E= ∑ E _{生成物} - ∑ E _{反应物} ，△ m 表示系统质量的改变量，（△ m= ∑ m _{生成物} - ∑ m _{反应物} ）， c 为光速（ 2.9979 × 10 ^{8} m · s ^{-1} ），若以如下裂变反应为例

141.9092 、 90.9056g · mol ^{-1} 。

则△ m= ｛ 141.9092 ＋ 90.9056 ＋ 3 × 1.00867 ）

- （ 235.0439 ＋ 1.00867 ）｝ g · mol ^{-1}

= ｛ 235.8048-236.0526 ｝ g · mol ^{-1}

＝ -0.2118g · mol ^{-1}

△ E= △ m · c ^{2}

= （ -0.2118 × 10 ^{-3} kg · mol ^{-1} ）×（ 2.9979 × 10 ^{8} m · s ^{-1} ） ^{2}

＝ -1.9035 × 10 ^{13} kg · m ^{2} · s ^{-2} · mol ^{-1}

=-1.9035 × 10 ^{13} J · mol ^{-1}

=-1.9035 × 10 ^{10} kJ · mol ^{-1}

1.000g 铀 -235 放出的能量是

在核裂变过程中，每 1g 参加反应的铀 -235 可放出约 8 × 10 ^{7} kJ 的能量，而每 1g 煤完全燃烧时放出的热量约为 30kJ 。这就是说， 1g 铀 -235 裂变所产生的能量相当于约 2.7 × 10 ^{6} g 煤燃烧时所放出的能量。可见核能是多么巨大。

由于核裂变反应中产生了中子，故裂变反应以链式反应的形式进行。一般来说，在核裂变反应中，产生的中子数多于消耗的中子数，但产生的中子会被核裂变物质和反应堆内构件吸收一部分，还有一部分中子将逃逸到堆外，幸存中子的多少，对裂变链式反应具有决定性影响，如果幸存中子平均不到 1 ，链式反应就愈来愈弱，称为“收敛”，如果幸存中子平均大于 1 ，则链式反应会愈来愈强，称为“发散”，最后可能达到无法控制的地步，原子弹爆炸即利用此原理，这非常危险！故我们希望幸存中子恰好为 1 ，让链式反应经久不息地进行下去。驾驭链式反应可通过控制棒实现，控制棒可用中子吸收截面很大但本身又不发生裂变的材料如镉、硼、铪制成。这种核反应堆称为热中子反应堆。

天然铀按质量分数是包含 0.0055 ％铀 -234 、 0.72 ％铀 -235 和 99.2745 ％铀 -238 三种同位素的“家族”，铀 -238 不能直接用作核裂变燃料，如果仅用铀 -235 作核燃料，其资源就很少。现代技术已开创了将铀 -238 转变成钚 -239 的技术

钚 -239 能进行核裂变反应。也就是说，在反应堆里，每个铀 -235 或钚 -239 裂变时放出的中子，除维持裂变反应外，还有少量的中子可以用来使难裂变的铀 -238 转变为易裂变的钚 -239 。这种反应堆称为快中子增殖堆。简称快堆。即快堆在消耗裂变燃料以产生核能的同时，还能生成相当于消耗量 1.2 ～ 1.6 倍的裂变燃料。这样，就可以把热中子反应堆中所积压的铀 -238 充分利用。

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