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临界质量

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临界质量,是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量,是核子反应堆核子武器设计中的一个重要概念。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。

刚好可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,核裂变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,核裂变的速率会随时间减少,称之为“次临界”。

各种光滑球体的临界质量

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。

以下为普通球形,没有中子反射之下的临界质量:

同位素 半衰期
(年)
临界质量
(公斤)
临界直径
(厘米)
参考
-233 159,200 15 11 [1]
铀-235 704,000,000 52 17 [1]
-236 154,000 7 8.7 [2]
-237 2,144,000 60 18 [3][4]
-238 87.7 9.04–10.07 9.5–9.9 [5]
-239 24,110 10 9.9 [1][5]
-240 6561 40 15 [1]
-241 14.3 12 10.5 [6]
-242 375,000 75–100 19–21 [6]
-241 432.2 55–77 20–23 [7]
-242 141 9–14 11–13 [7]
-243 7370 180–280 30–35 [7]
-243 29.1 7.34–10 10–11 [8]
-244 18.1 13.5–30 12.4–16 [8]
-245 8500 9.41–12.3 11–12 [8]
-246 4760 39–70.1 18–21 [8]
-247 15,600,000 6.94–7.06 9.9 [8]
-247 1380 75.7 11.8-12.2 [9]
-249 351 6 9 [2]
-251 290 5 8.5 [2]
-252 2.6 2.73 6.9 [10]

纯度较低的铀,临界质量会有所增加。例如20%的铀-235,以4厘米厚的铍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600公斤。

核武器设计

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。这种设计称为“内爆式”。

相关条目

参考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Nuclear Weapons Design & Materials 互联网档案馆存档,存档日期2010-11-05., The Nuclear Threat Initiative website页面存档备份,存于互联网档案馆).
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport页面存档备份,存于互联网档案馆), Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
  3. ^ Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium Archived 2011-08-22 at WebCite, Challenges of Fissile Material Control页面存档备份,存于互联网档案馆)(1999), isis-online.org
  4. ^ 存档副本. [2015-03-11]. (原始内容存档于2011-06-06). 
  5. ^ 5.0 5.1 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238页面存档备份,存于互联网档案馆), U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
  6. ^ 6.0 6.1 Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium页面存档备份,存于互联网档案馆), Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 存档副本 (PDF). [2015-12-11]. (原始内容 (PDF)存档于2007-07-10).  Dias et al.
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 互联网档案馆存档,存档日期2010-09-20., Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)
  9. ^ Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport"页面存档备份,存于互联网档案馆), p. 16
  10. ^ [1]Section 6.0 Nuclear Materials
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