核裂变
核反應或放射性衰變過程,其中原子核分裂成較小的部分 / 维基百科,自由的 encyclopedia
核裂变(德语:Kernspaltung;英语:nuclear fission),在港台称作核分裂,是指较重的(质量数较大的)原子核裂变成两个以上较轻(质量数较小的)原子核的过程[1],属于一种核反应或放射性衰变的形式。核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。
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某些重原子核经中子撞击后,会裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子,并且以γ射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重原子核,从而形成链反应而不断裂变。原子核裂变时除放出中子还会放出大量热能,核电站用以发电的能量即来源于此。因此核裂变产物的结合能需大于反应物的结合能。这种人为诱发的核裂变属于人工核反应的一种。铀-235、铀-233、钚-239等核素受中子冲击后即有高几率发生裂变,具有维持链反应的能力,称为易裂变材料,早期原子弹使用钚-239为原料制成,而核电站则大多利用铀-235裂变作为热力源。
除了人为刻意由中子撞击诱发的核裂变外,某些重原子核不需要中子等外来因素的引发也会自发性地裂变,称作自发裂变,属于一种放射性衰变的形式。自发裂变主要发生在一些质量数非常高的核素,如锔-250、锎-254、镄-256等。[1]自发裂变的产物组成有相当的几率性甚至混沌性,和质子发射、α衰变、簇衰变等单纯由量子穿隧产生的裂变不同,后面这些裂变的产物种类都是固定的。
元素的核裂变会使其变成另一种化学元素,因此核裂变也是核迁变的一种。裂变所形成的二个原子质量会有些差异,对常见的易裂变核素而言,形成的二个原子之质量比约为3:2[2][3]。大部分的核裂变会形成二个原子,偶尔会有形成三个原子的核裂变,称为三裂变变(英语:ternary fission),大约每一千次会出现二至四次,其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。
原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变,这是因为核燃料受到中子撞击引发核裂变时也会释放中子,因此产生核链反应,使核裂变持续进行。在核电站中,其能量产生速率控制在一个较小的速率,而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个,因此若对链式反应不加以控制,同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多,将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量,需要在90%以上。
核能发电应用中所使用的核燃料,铀-235的含量通常很低,大约在3%到5%,因此不会产生核爆。但核电站仍需要对反应堆中的中子数量加以控制,以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼,并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能裂变。
核裂变时,大部分的裂变中子均是一裂变就立即释出,称为瞬发中子,少部分则在之后(一至数十秒)才释出,称为延迟中子。
核燃料的自由能是相近质量的化学燃料如汽油的几百万倍,这使核裂变成为非常密集的能量来源。但是核裂变产物的放射性平均要比通常用作燃料裂变的重元素高的多,并持续得更长,因而引出核废料的问题。