臨界質量
臨界質量,是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量,是核子反應堆和核子武器設計中的一個重要概念。不同的可裂變材料,受核子的性質(如裂變截面)、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響,而會有不同的臨界質量。
剛好可以產生連鎖反應的組合,稱為已達「臨界點」。比這樣更多質量的組合,核裂變的速率會以指數增長,稱為「超臨界」。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應,這種臨界被稱為「即發臨界」,是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小,核裂變的速率會隨時間減少,稱之為「次臨界」。
各種光滑球體的臨界質量
編輯能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料,臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。鈈則為10公斤左右。
以下為普通球形,沒有中子反射之下的臨界質量:
同位素 | 半衰期 (年) |
臨界質量 (公斤) |
臨界直徑 (厘米) |
參考 |
---|---|---|---|---|
鈾-233 | 159,200 | 15 | 11 | [1] |
鈾-235 | 704,000,000 | 52 | 17 | [1] |
錼-236 | 154,000 | 7 | 8.7 | [2] |
錼-237 | 2,144,000 | 60 | 18 | [3][4] |
鈽-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 | [5] |
鈽-239 | 24,110 | 10 | 9.9 | [1][5] |
鈽-240 | 6561 | 40 | 15 | [1] |
鈽-241 | 14.3 | 12 | 10.5 | [6] |
鈽-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 | [6] |
鋂-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 | [7] |
鋂-242 | 141 | 9–14 | 11–13 | [7] |
鋂-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | [7] |
鋦-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 | [8] |
鋦-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 | [8] |
鋦-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 | [8] |
鋦-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 | [8] |
鋦-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 | [8] |
錇-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 | [9] |
鉲-249 | 351 | 6 | 9 | [2] |
鉲-251 | 290 | 5 | 8.5 | [2] |
鉲-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 | [10] |
純度較低的鈾,臨界質量會有所增加。例如20%的鈾-235,以4厘米厚的鈹反射中子臨界質量達400公斤。若如果純度只為15%,臨界質量更高達600公斤。
核武器設計
編輯核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例,可以把鈾分成數大塊,每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈是把一小塊的鈾透過鎗管射向另一大塊鈾上,造成足夠的質量。這種設計稱為「鎗式」。鈽核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈽原子彈「胖子」的鈽是造成一個在次臨界以下的中空球狀。引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈽擠壓,增加密度及減少空間,造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。
相關條目
編輯參考
編輯- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Nuclear Weapons Design & Materials 網際網路檔案館的存檔,存檔日期2010-11-05., The Nuclear Threat Initiative website (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館).
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- ^ Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport" (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館), p. 16
- ^ [1]Section 6.0 Nuclear Materials