良邑

再访广岛

 

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

 

第二章  第五节

 

 

2.5 原子核裂变

 

    有些不稳定的核素可以进行非α-衰变或β-衰变的核裂变。在这个过程中，原子核裂变成两个大小和成分不尽相同的大碎片，另外还有两三个独立的中子。由原子核裂变释放出来的能量大部分转变为活性能量，从而引起两个裂变碎片和中子像烫伤了的小猫似的往外冲；另有一些能量以γ-辐射的形式被释放出来。

    有些核素自发地进行核裂变，而另一些核素只能通过中子俘获才能裂变。在后者中，有些还只能被高能中子裂变，而另一些则很容易被任何中子裂变，不管那些中子有没有活性能量。这样就导致了如下的差别：

    1，一个核裂变核素释放的中子的能量太低，不能使同种核素的其他原子核发生裂变。

    2，一个易裂变的核素所释放的中子能够裂变同种核素的其他原子核；因此对于这些核素来讲，裂变可能成为连锁反应。

    在铀的同位素中，铀238是可裂变的；而铀235是易裂变的。铀235确实是唯一天然丰度可用的裂变核素。不过也还有一些裂变核素能够人工用某些前体核素制造出来；这些前体核素被称为是“可繁殖的”。最重要的可繁殖核素是铀238和钍232，它们通过中子俘获连续进行两次β-衰变，而分别变为易裂变核素钚239和铀233 。（脚注11）虽然钍232比铀238更丰富，但它的裂变衍生物铀233用于作炸弹原料还存在一些技术障碍。这样就剩下铀235和钚239成为了这个用途的候选原料；广岛的炸弹（小男孩）据说是含有铀235，而长崎的炸弹（胖子）据称含有钚239 。

 

2.5.1 原子核裂变产物

 

     每一种易裂变核素都会产生裂变产物的扩散，而不是两种不同的物质，这种扩散的情形在两种不同的核素之间存在一定的差别，同时随着引起裂变的中子的能量的不同而不同；在核反应堆与炸弹之间尤其不同，它们分别用的是低能量中子和高能量中子。图2.4显示的是铀235和钚239在快中子裂变时产物的扩散情况，这就是说在环境条件相似的情况下，这些产物在裂变炸弹中普遍存在。裂变产物分成两个团，中心分别含有约140个核子和95个核子。这两种核素产生数量相近的铯137 。关于铯已经在第一章里作为环境尘埃样品中的标志物进行了介绍。在这两种情况中，大约有6%的裂变产生了铯137；因此根据尘埃中铯137的丰度就能够估算出炸弹中确实发生裂变的总量。

 

  图2.4 钚239和铀235在快中子裂变中的产物。

     

Fission yield (%)：裂变产额（%）；Number of nuclens：核子数。     

 

 带有相同数量核子的核素被归并在这个图表中，但有三个突出标识的核素各有自己的核子数。锶（Sr）90的化学性质与钙相似，在骨骼中积存，而碘131则积存在甲状腺中。铯137与钾相似，可广泛地积存在机体组织中。另外，铯还普遍应用来作为环境中核尘埃的标志物。数据引自【44】。

 

    碘131和锶90是裂变产物，它们可以积存在特定的器官中，并有可能引起疾病。锶90的化学性质与钙相似，并在骨矿物质中积存起来；它与骨髓接触可能是白血病的病因之一。锶90的半衰期是28.8年，这就意味着在相当长的时间里都能在骨骼中检测到它的存在。相比之下，碘131的半衰期只有一个星期；但这个长度也足以使它能够随尘埃飘散，并在甲状腺组织中积存起来。切尔诺贝利核电站的灾难中，碘131的释放和扩散在乌克兰和白俄罗斯的相邻地区引发了大量甲状腺疾病。【45】

    需要注意的另一个问题是，以上讨论的三种裂变产物通常不会直接形成；相反，裂变的产物往往非常短命，经过一次或多次β-衰变才成为寿命较长的产物；这在图2.5中进行了说明。作为二次衰变的一部分被发射出来的γ-射线对炸弹的辐射有直接的重大作用。这些衰变活动有些也会释放中子；这样的“慢中子”在炸弹的辐射中只起很小的作用，但它们对控制核反应堆内部的连锁反应至关重要。

 

 图2.5 作为质子数和中子数的函数的原子核稳定性。

 

Neutrons：中子；Protons：质子；stable：稳定性。

 

左图：几乎所有的质子数（或电子数）都高达82时，至少有一个中子数会产生一个稳定的原子核（黑色）。长半衰期放射性同位素（蓝色阴影）通常在接近稳定性的这个区域里发现，这种稳定性向上略微弯曲。右图：一个铀235原子核作为它的一个裂变产物，可能产生一个带52个质子和85个中子的核素（碲137；白色箭头）。在它形成的几分钟内，这个极不稳定的物质将连续进行三次β-衰变，而成为铯137（黄色圆圈；见插图）。它仍然有放射性，铯137的长半衰期足以使它在数十年内仍然能够检测到。

 

2.5.2 裂变弹

 

     个裂变弹的引爆是通过连锁反应发生的，裂变开始时，首先是铀235或钚239的原子俘获一个中子——由安置在炸弹上的一个小的中子源提供——然后才进行裂变。这样产生两块破裂的原子核和2至3个中子。这几个中子每个都会被另一个裂变的原子核俘获，从而引起连锁裂变。这种二次裂变活动的可能性取决于每个自由电子的射程之内易裂变原子核的数量。一旦这种可能性变得很高，基本上每个进行裂变的原子核在它们的下一代中都产生不止一次的裂变活动，连锁反应就会急剧地增强，从而引起爆炸。

    根据前文提到过的，我们可以粗略地知道核爆炸将是什么后果。裂变产物和中子的巨大活性能量都转换成了热能。这个热能产生闪光，同时推动周围的空气膨胀，空气由此产生一股压力冲击波。大量的γ-射线和一些中子就会从引爆的炸弹核心中逃窜出来，产生强烈的离子辐射脉冲。另一方面，由短半衰期裂变的中间产物所释放的β-粒子只有很短的自由路径，继续被封闭在核心之中。概括来讲，一颗裂变原子弹的即时远程效应具有强大的辐射热、冲击波以及电离γ-辐射和中子辐射。

 

5.2.3 裂变当量

 

  在第1.2一节中，我们已经注意到，在广岛上空引爆的所谓铀弹中，50公斤的铀235中只有大约1 公斤发生了裂变，而其余的据说都四处散落了。为什么会发生这样的情况？

  临界质量只有保持在一起的时候，连锁反应才会持续。一旦连锁反应开始，它就会释放热量，从而把临界质量吹散。裂变炸弹制造中的一个关键问题就是使临界质量保持足够长的时间，以使连锁反应有足够的裂变材料。在临界质量分散之前实际裂变的裂变材料的分量称之为裂变当量。

【脚注】

 

10，你可能已经注意到了，铀238既是可繁育的又是可裂变的。一次俘获的结果取决于俘获的中子的能量；快中子将会产生裂变，同时慢中子开始转化成钚239 。