易裂变材料：修订间差异
Bangbangbear（留言 | 贡献） |
Bangbangbear（留言 | 贡献） |
||
| 第45行： | 第45行： | ||
==可裂变物质规则== |
==可裂变物质规则== |
||
根据[[可裂变物质规则]]，原子序数在在90到100之间，2倍中子数与质子数之差是43 ± 2的重元素的同位素是可裂变物质。<ref> Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152, 334</ref> |
|||
==核燃料== |
==核燃料== |
||
2011年1月7日 (五) 19:05的版本
在核工程中，可裂变物质指的是有能力维持核裂变的链式反应的一种物质。根据定义，可裂变物质可以通过任意能量的中子来维持链式反应，而主要的中子能量可能是慢中子或者快中子。这样可裂变物质可以用作以下设备的核燃料
可裂变物质与可以裂变物质
可以发生裂变的物质与这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质指的是任何原子核可以发生核裂变的物质，而可裂变物质特指那些能够俘获低能量中子发生裂变，从而具有维持链式反应的能力。例如钚-239是可裂变物质，而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变，仅仅是可以发生裂变的物质。因此，可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分，所有的可裂变物质都可以发生裂变，但并不是所有可以发生裂变的物质都是可裂变物质。
铀-238是一种典型的可以发生裂变的物质，但是无法维持中子的链式反应。铀-235裂变产生的中子能量大约是2兆电子伏特（相当于20000千米/秒），仅仅有一小部分有足够的能量使铀-238发生裂变。但是氘氚核聚变反应产生的中子的能量达到14.1兆电子伏特（相当于52000千米/秒），可以很有效的使铀-238和其它不是可裂变物质的超铀元素发生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使铀-238发生裂变，因此铀-238无法维持链式反应。核武器爆炸的第二阶段中铀-238的快速核裂变可以大幅度提升核武器当量，同时也产生了大量的放射性尘埃。铀-238的快速核裂变同时也是一些快速核反应堆的能量的主要来源。
在武器控制的条约中，特别是禁止生产核武器用裂变物质条约的提案中，可裂变物质通常用来指主要用于核武器中的可裂变物质[1] 。这些物质可以维持有爆炸性的裂变链式反应。符合这个定义但不符合通常核物理中定义的物质是镎-237。
用于核燃料的可裂变核素
Fissile nuclides used as nuclear fuel
| 热中子 | 超热中子 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σF | σγ | % | σF | σγ | % | |
| 531 | 46 | 8.0% | 233U | 760 | 140 | 16% |
| 585 | 99 | 14.5% | 235U | 275 | 140 | 34% |
| 750 | 271 | 26.5% | 239Pu | 300 | 200 | 40% |
| 1010 | 361 | 26.3% | 241Pu | 570 | 160 | 22% |
核燃料中的可裂变核素包括以下几种：
- 铀-235，存在于天然铀和浓缩铀中。
- 钚-239，由铀-238通过中子俘获生成。
- 钚-241，有钚-240通过中子俘获生成。钚-240可以由钚-239通过中子俘获生成。
- 铀-233，由钍-232通过中子俘获生成。
可裂变物质的核素俘获一个中子后并不一定会发生裂变。发生裂变的概率取决于原子核的种类和中子的能量。对于低能中子和中等能量的中子，中子俘获发生裂变的反应截面为(σF)，而俘获后放出γ射线的反应截面为 (σγ)，不发生裂变的比例如右表所示。
哪种核素是可裂变物质？
锕系元素和裂变产物的半衰期
| ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 依衰变链分类的锕系元素[2] | 半衰期范围 | 依裂变产额分类的裂变产物[3] | ||||||
| 4n | 4n + 1 | 4n + 2 | 4n + 3 | 4.5–7% | 0.04–1.25% | <0.001% | ||
| 228Ra | 4～10年 | 155Eu þ | ||||||
| 244Cm | 241Pu ƒ | 250Cf | 227Ac | 10～29年 | 90Sr | 85Kr | 113mCd þ | |
| 232U ƒ | 238Pu | 243Cm ƒ | 29～100年 | 137Cs | 151Sm þ | 121mSn | ||
| 248Bk[4] | 249Cf ƒ | 242mAm ƒ | 100～400年 | ↑中等寿命裂变产物 没有半衰期为 100年至21万年 的裂变产物 ↓长寿命裂变产物 | ||||
| 241Am | 251Cf ƒ[5] | 400～1000年 | ||||||
| 226Ra | 247Bk | 1000～2000年 | ||||||
| 240Pu | 229Th | 246Cm | 243Am | 2000～8000年 | ||||
| 245Cm ƒ | 250Cm | 239Pu ƒ | 8000～3万年 | |||||
| 230Th | 231Pa | 3～10万年 | ||||||
| 236Np ƒ | 233U ƒ | 234U | 10～30万年 | 99Tc | 126Sn | |||
| 248Cm | 242Pu | 30～140万年 | 135Cs | 79Se | ||||
| 237Np | 140～700萬年 | 93Zr | 107Pd | |||||
| 236U | 247Cm ƒ | 700～3000萬年 | 129I | |||||
| 244Pu | 3000万～1亿年 | 也没有半衰期超过 2000万年的裂变产物[6] | ||||||
| 232Th | 238U | 235U ƒ | 1～150億年 | |||||
一般来说，大多数具有奇数个中子的超铀元素同位素是可裂变物质。大多数核燃料的原子量都是奇数，原子序数是偶数，这也意味着中子数是奇数。更一般的，具有偶数个质子和偶数个中子的元素，如果它们处于原子序数-原子量曲线附近的话，要比其他同位素更稳定，因此也更不容易发生裂变。这些元素很可能忽视这些中子，让他们继续前进，或者仅仅是吸收这些中子。他们也不容易自发裂变，因此他们拥有很长的α衰变和β衰变的半衰期，比如铀-238和钍-232。另一方面，有奇数个中子和奇数个质子的同位素寿命都比较短，因为他们很容易发生β衰变，产生具有偶数个中子、偶数个质子的同位素，这些同位素更加稳定。
可裂变物质规则
根据可裂变物质规则，原子序数在在90到100之间，2倍中子数与质子数之差是43 ± 2的重元素的同位素是可裂变物质。[7]
核燃料
合法控制
参考文献
- ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons, International Panel on Fissile Materials
- ^ 虽然镭不是锕系元素，但它紧接在锕系元素锕之前，且有半衰期超过4年，可被列入此表中的同位素，因此镭也被列入其中。
- ^ 此表列出的是热中子轰击235U的裂变产额。
- ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248. Nuclear Physics. 1965, 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
- ^ 是所有半衰期超过四年的同位素中最重的
- ^ 半衰期远长于232Th，基本可视为稳定的衰变产物被排除在外，如半衰期8×1015年的113Cd。
- ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152, 334
参见
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
