裂变

裂变(Fission)是一个非稳态原子核分裂成两个质量相当的碎片的衰变过程。^[1][2]原子核的稳定性是能否发生裂变的关键，设原子核是球形的，在球形时的势能应比稍有形变而成为椭球时的势能要小，这样如果核稍有形变，它会回到球形，裂变就不会发生；如果球形的势能比稍有形变时的势能大，那么原子核就会自发地形变，先变成椭球，逐渐伸长为哑铃状，最后断裂成两块，核裂变就发生了。^[4]

此现象是哈恩（Hahn）和斯特拉斯曼（Strassmann）在1938年用放射化学的方法发现的；^[3]核裂变会分裂成两个质量不完全一致的两个或者多个碎片，同时释放出大量的能量，1g全部裂变释放出来的能量可达J，相当于2.5t煤的燃烧热。^[4][5]

原子弹就是利用链式反应的原理制成的。当铀yóu的体积大于临界体积，只要中子进入铀块，就会立刻引起铀核的链式反应，会在百万分之一秒内释放出惊人的核能，形成剧烈爆炸。^[6]核电站是核能的另一种应用，通过控制链式反应的速度，将核能以比较平缓的方式释放出来并加以利用，产生的能量用来发电。核电站用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉制成控制棒。通过调节镉棒的升降，就能控制裂变反应的快慢，使反应堆保持一定的功率，进而不断稳定地产生电能。^[6]

核裂变反应是指重的原子核分裂成两个或多个质量较小的原子核的一种核反应形式。原子核裂变后产生两个或两个以上质量不同的裂变碎片，同时释放出大量能量和两三个中子，这些能量大部分转换成碎片的动能，这些碎片属于初级碎片，是不稳定的原子核，并继续衰变放出射线和能量。裂变有两种模式：一种是重核自发裂变并释放能量；另一种是利用中子轰击原子核引发的核裂变，这种模式是人类迄今为止大量释放原子能的手段。原子核的裂变过程能持续地进行下去，称为链式反应。^[2][7][8]

原子核分裂为两个质量接近的核裂块（也有分裂为更多裂块的情形，但概率很小），同时还可能放出中子；核裂变有自发和感生两种，前者是重核不稳定表现，其裂变半衰期一般很长，后者是原子核受到其他粒子轰击时立即发生的裂变。不稳定的重核，比如的核可以自发裂变。快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触发裂变。由于裂变本身释放分製的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质（）堆在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至少又触发另外两个核的裂变，依此类推而 发生所谓的链式反应。这就是称之为原子弹（实际上是核弹）和用

于发电的核反应堆（通过受控的缓慢方式）的能量释放过程。^[2][7][9]

继铀盐的放射性被发现以后，法国科学家居里夫妇(Pierre&Marie Curie)于1898年相继发现了钋(Po)和镭(Ra)，并在1902年提炼出0.1g的镭盐和几毫克钋。镭的发现引起科学和哲学的巨大变革，为人类探索原子世界的奥秘打开了大门。以下主要事件，为核技术的诞生奠定了重要的科学基础并推动了核技术应用的迅速发展。^[10][11][12]

1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线。

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。

1898年，卢瑟福(E.Rutherford)用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两种，一种非常容易被吸收，称为α射线；另一种具有较强的穿透力，称为β射线。

1898年，居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。

1902年，居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。

1905年，爱因斯坦提出质能转换公式。

1914年，英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。

1900年，法国人维拉德(P.Villard)观察到，镭除了上面两种射线之外，还存在着第三种射线，它不受磁场的影响，与X射线非常类似，称为γ射线。

1930年，德国物理学家博特(E.Bothe)和贝克尔(H.Becker)用α粒子轰击铍、锂、硼原子核，产生了一种能使计数管放电而且穿透力很强的神秘射线。1932年，英国物理学家查德威克(J.Chadwick)研究认为这种“射线”是一种不带电的中性粒子流，它的质量数和质子相当，并具有很强的穿透本领，命名为“中子”。中子被发现后，成为科学家们进行核科学研究的重要工具，并极大地促进了核科学技术的迅猛发展。

1930年前后，英国物理学家考克拉夫特(J.D.Cockcroft)和瓦尔顿(E.T.Walton)一起建造了第一台粒子加速器。

1931年由美国物理学家范德格拉夫(R.J.Van deGraaft)建造了静电加速器，由美国物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)和利文斯顿(M.S.Livingston)设计制造了第一台用来加速离子的回旋加速器。随着微波技术的发展，1947年建造了行波电子直线加速器和驻波质子加速器。

1934年，约里奥·居里(JoliotCurie)夫妇用钋的α射线轰击铝箔，发现铝箔有放射性，并用化学方法从铝箔中分离出P(磷-30)，首次发现人工放射性，并随后在实验中发现铀裂变产生多个中子和释放出大量能量，预言可以实现链式反应。

1938年，分别由在德国出生的美国物理学家贝特(H.A.Bethe)和德国天文学家魏茨泽克(F.V.Wetabckor)各自独立发现聚变反应或称为“热核反应”。

1939年，奥地利物理学家迈特纳(L.Meitner)和她侄子弗里施(O.Frisch)等人一起发现了铀核裂变现象，并测得200MeV左右的裂变能。

1942年1月，在芝加哥大学早已废弃的足球场西看台下的一个小院落内，由美籍意大利物理学家费米(E.Feimi)设计建造了世界上第一座铀裂变反应堆CP-1(芝加哥1号堆)。

1942年12月2日，人类首次完成自持裂变链式反应实验，第一座天然铀-石墨反应堆成功启动。

1945年7月16日凌晨5点30分，美国爆炸了世界上第一颗原子弹(用来进行原子弹爆炸试验)。

1951年12月20日，美国利用它的第一座生产钚bù的增殖反应堆的剩余热量发电，电功率为100kW。虽然美国从20世纪50年代初就开始研究和建造用于发电的各种类型的反应堆，但其真正的目的还是在于军事。

1952年11月1日，美国在太平洋的珊瑚岛(即马绍尔群岛)爆炸了世界上第一颗氢弹。

1954年1月21日，美国建造的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号下水。

1954年6月27日，苏联建成世界上第一座使用核燃料发电的核动力反应堆，它的电功率为5000 kW。

1957年，美国瑞侃(Raychem)公司首次用加速器辐照生产热缩材料(Heat shrinkable materials)，开创了辐射化工产业的历史。

1957年，美国凡士通(Firestone)公司首次用加速器辐照硫化技术生产汽车轮胎。

1961年，Allis - Chalmers & William Myers将第一台商用Anger camera在Ohio大学投入使用。

1969年7月21日，美国阿波罗11号飞船登月。为飞船供热的两个装置为2Pu(钚-238)同位素发热器。

(1969年，英国工程师亨斯菲尔德(G.N.Hounsfield)成功设计了计算机断层成像仪(CT)并于1972年面世，提高了病变检出率和诊断准确度，大大促进了核医学的发展。

1970年，美国Ford公司首次将电子加速器用于汽车配件涂漆固化。

1974年，第一台正电子发射计算机断层成像仪(PET)问世，在20世纪90年代后期用于临床。

1976年，John Keyes研制出第一台多用途单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)。

1981年，J.P.Mach发表第一个肿瘤显像的单株抗体放射性药物。

1991年，Cytogen公司第一个推出经FDA同意的肿瘤显像的单株抗体放射性药物。^[10][12][11]

1938年，哈恩（Hahn）和斯特拉斯曼（Strassmann）用放射化学的方法发现，在中子束辐照产生的放射性产物中具有钡bèi（Z=56）和镧lán（Z=57）的放射性同位素，认识到中子轰击铀、钍tǔ等一些重原子核可以分裂成质量差不多大小的两个原子核，重核分裂成几个中等原子核的现象称为原子核裂变。^[13][14][15]裂变反应一般可表示为 ： (A-1)

式中（ * ）表示高激发态。^[3]

例如：(A-2)

(A-3)

(A-4)^[3]

自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变。中等质量核的比结合能比重核的大，因此裂变会有能量放出。很重的原子核大多具有放射性，自发裂变和衰变是重核衰变的两种不同的方式，两种有竞争，对于的核素，自发裂变比衰变可以忽略，能自发裂变也可以衰变，它是重要的自发裂变源和中子源，如下图示。一般较轻的锕ā系核素自发裂变半衰期都比较长。^[13][15]

除自发裂变外，在外来粒子轰击下，重原子核也会发生裂变，称为诱发裂变，发生裂变的核素称为裂变核，对于诱发裂变，入射粒子与靶核组成的复和核才是裂变核。当裂变核的激发能超过裂变势垒的高度时，裂变概率就显著增大。在诱发裂变中，热中子诱发的裂变最重要，研究得也最多，其原因是中子和靶核的作用没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进人核内使核激发而发生裂变；同时，大多数热中子诱发裂变过程又有中子发射，因而可形成链式反应，这也是热中子诱发裂变更重要的原因之一。^[4][13][15]

热中子可引起裂变的核素称为易裂变核，又称核燃料。，和等都是核燃料，这些核燃料中只有天然存在，但丰度较小，只占0.7%；天然铀中主要是其丰度为99.3%，而和不是天然存在的核素，只有通过核反应才能得到。^[13][15]

除了中子可以诱发核裂变以外，具有一定能量的带电粒子，如p，d，和射线也能诱发核裂变。对于氘dāo核，由于其核子结合比较松散，当氘核接近靶核时会受到极化，氘核诱发裂变常常是中子进入靶核内引起核裂变，而质子未能进 入靶核内就受靶核的库仑排斥作用而离去。因此，这种核裂变实际上就是中子诱发裂变。能量很高的带电粒子甚至可以引起质量较小的元素（如Cu）发生裂变。射线引起的核裂变称为光致裂变，光致裂变截面都比较小。高能粒子和重核作用还可能将靶核打散，出现很多自由核子或很轻的原子核。这种过程不再是核裂变，而是散裂反应.重离子轰击重核时，融合在一起的复合核有很高的激

发能，核裂变是复合核衰变的主要方式。^[4][13]

诱发裂变是人类利用核能的主要方式，裂变过程释放出大量的能量，可用于发电，比起煤来，裂变过程放出的能量要多得多，下表是各个类型的释放能量参数

裂变产物指方程（A-1）中的X和Y,它们的质量分布范围较宽，如下图示。由图可见，裂变碎块的质量分数分布在72-164之间，不发生小于72或大于164的分裂，碎块峰值在96和140附近，即分裂概率最高，而发生对称分裂概率较低，这表明核裂变产生的两个碎块质量一般不相等。^[3][16]

原子核刚裂变而形成的碎片称为初级碎片。初级碎片是远离β稳定线的丰中子核，且有很高的激发能，因而能直接发射中子(1~3个，称为瞬发中子)，发射中子后的裂变碎片称为次级碎片(又叫裂变的初级产物)。例如，裂变时，和是可能的两碎片，同稳定的和比较,可见多了6个中子，多了14个中子,所以裂变后，和立刻放出几个中子，每次裂变平均发出2.5个中子。经过发射中子后，次级碎片的激发能降低到约小于8MeV时，不足以发射中子，所以主要以发射光子的形式退激。发射中子和射线的过程分别在裂变后小于s和小于s的很短的时间内完成，所发出的中子、光子叫做瞬发光子和瞬发中子。^[4]

发射γ光子后的次级碎片仍是丰中子核，它们相继进行β衰变，发射β粒子、中微子，伴有光子,最后生成稳定核(衰变过程中偶尔形成一些激发能大于中子结合能的核,它可直接发射中子)，此过程发射的中子和光子叫缓发中子、缓发光子。^[4]

例如：

（B-1）

(B-2)

(B-3)

裂变过程可简单概括如下：

其中

^[4]

1947年，中国物理学家钱三强、何泽慧夫妇发现，铀核被中子撞击后有三分裂、四分裂现象。其中裂成三块的概率占裂成两块概率的0.3%,裂成四块的概率占裂成两块概率的0.03%,概率都很小。是对物理学的重要贡献之一。^[3]

重核裂变能放出很大的能量，重核分裂为两个中等质量的核时，比结合能ε将增加1MeV左右，即每个核子平均贡献约1MeV的能量。一般每个贺U裂变平均可放出大约200MeV的能量,假如有1g全部裂变，那么释放出来的能量可达J,相当于2.5t煤的燃烧热。^[5][17]

*伴随着衰变还放出约10MeV的中微子能量，但中微子会穿出堆外，因此着部分能量未被利用。^[18][19]

稳定的重核基态能量总和是低于裂变势垒，要越过势垒才能发生裂变，处于基态的核可以通过量子力学的隧道效应，有一定几率穿越势垒而发生裂变。势垒越高、越宽，穿透的几率就越小，原子核自发裂变的平均寿命就越长，裂变几率变化的总趋势是随着（Z是原子核的电荷数，A是质量分数）的增加而迅速增加，和液滴模型预测一致。^[20][13]

原子核裂变时发射出来的种子分瞬发中子和缓发中子两类，瞬发中子占大部分，其中主要又是从碎片蒸发出来的；缓发中子占很小一部分（千分之几）。^[20]

瞬发中子的能量分布很宽，从0一直延伸到15MeV左右，主要部分在0.1~5MeV区域。其能谱可用麦克斯韦谱来近似描述，即^[20]

式中是麦克斯韦分布的一个参数，等于中子平均能量的；每次裂变发射的中子数量是不固定的，有时不发射中子多数发射两三个中子，最多有七八个。其平均值称为平均裂变中子数。当裂变核的激发能增加时，随之增加；在裂变核的原子序数或质量增加时，也随之增大，的大小对链式反应装置的临界条件起关键作用。缓发中子所占份额虽然很小，但在慢中子裂变反应堆的控制上却起着重要作用。^[20]

设原子核是球形的，根据能量最小原理，如果它是稳定的话，在球形时的势能应比稍有形变而成为椭球时的势能要小(或在球形时的结合能应比椭球时的结合能要大)，这样如果核稍有形变，它会回到球形；如果球形的势能比稍有形变时的势能大，那么原子核就会自发地形变，先变成椭球，逐渐伸长成哑铃状，最后断裂成两块。所以原子核对裂变的稳定条件为：

（C-1）^[4]

由于原子核形状不同，会对核的结合能产生影响，而由结合能的半经验公式知道结合能中只有表面能和库仑能两项受原子核形状的影响(按照液滴模型，球形变为椭球形，体积不变，所以体积能不变)，所以计算值时，可用表面能和库仑能的变化计算。^[4]

即： (C-2)

根据原子核基本结构性质,可知球形时,有

（C-3）^[4]

而椭球时,有

,(C-4)

式中，是形变参数，与偏心率有关；;。由式（C-1）~(C-4)可得原子核的稳定条件为：^[4]

(C-5)

(C-6)

此即原子核对自发裂变的稳定条件。可以计算对，Z² /A 是 36；对，Z2/A是39，都是稳定的，不会发生自发裂变。然而实际却能观察到一定的自发裂变，只是半衰期非常长，为 2000 a，为，这可能是势垒穿透现象。到现在还未看到Z²/A>45 的例子，所以很活跃的自发裂变还没有观察到。^[4]

Z2/A< 45的核是稳定的，这和和随核形变的变化有关[见式(C-3)和式(C-4)，其关系如下图所示。^[4]

可见，当原子核由球形向椭球形变化时，随着形变程度的加大，表面能增加，库仑能减少，并且表面能增加比库仑能减少要快。于是，随着原子核的形变加大，原子核的势能V首先是增加，直到形变大到某一程度，表面能的增加不如库仑能的减小快，这时原子核的势能开始下降，这样就形成了裂变势垒。^[4]

由前述可知，原子核在球形时的势能比稍有形变时要小，所以不会自发裂变。如果要发生裂变必须越过一个势垒一称为裂变势垒，其高度为。要使核的能量提高达到势垒顶，必须提供给它一定数量的能量，这个能量叫裂变的激活能，也称裂变阈能，用δ表示，其大小等于裂变势垒的高度，所以原子核裂变的能量条件为^[4]

(D-1)

式中，为入射粒子在靶核中的结合能。势垒高度与 有关。当 左右时，δ不是很高，随增加，δ会减小,如下图所示。而 较小的核，δ很高，势垒穿透困难(所以的核对自发裂变是稳定的)。^[4][21][22]

由此不难说明为什么中子引起和裂变的情况不同。对，裂变势垒高度约为，而中子被俘获形成放出的结合能是，此能量足以把的能量提高到势垒顶，所以热中子足以使裂变，因此叫易裂变核，而的裂变势垒约为，但中子被俘获形成的结合能只有，所以慢中子不足以引起的裂变，必须由中子本身携带以上的能量(快中子)，被俘获，再加上结合能才能把的能量提高到势垒顶，所以对，慢、快中子都可引起裂变，不过慢中子反应截面大。而对，只有的快中子才能引起裂变，但效率不高，因为快中子的反应截面小。^[4]

核技术是现代科学技术的重要组成部分，是20世纪人类文明史上一个重要里程碑，是当代最主要的尖端技术之一，也是社会现代化的重要标志之一。核技术现已广泛应用于国防、科研、工业、农业、医学、通信、交通、环保、资源开发和科学研究等各个领域，形成相对独立和完整的研究和应用体系，并以其知识密集性、交叉渗透性、不可取代性、高效益性及广泛适应性等特点，已被纳入了世界高科技角逐的竞技场。目前,世界上共有100多个国家开展核技术的研究、开发和应用。它的快速发展已成为推进国防和国民经济新技术、新材料、新工艺、新方法不断取得创新发展的动力。^[11][12]

核技术一般分为核武器技术、核动力技术和同位素与辐射技术(简称同辐技术,也称为非动力核技术)。本教材中所述的核技术主要是同位素与辐射技术(包括放射性核素制备,核分析技术,核仪器仪表,辐射加工,核技术在医学、农业、环境等领域的应用等方面)以及核能的和平利用等内容。^[11][12]

一般情况下，铀核裂变时释放的中子又会引起其他铀核的核裂变。这样，裂变反应就会不断的进行下去，释放出越来越多的能力，这就是链式反应。^[6][23][24]

一个核俘获一个热中子发生裂变时，平均释放出约2.5个中子，它们经慢化成为热中子后，引起另外的U核裂变，产生第二代中子，再引起裂变，产生第三代中子……。这样如果没有中子损失,只要开始有一个核发生裂变，短短时间内将有很多核裂变，形成剧烈的链式反应，并释放出大量的核能。要使核能得到实际的应用，就必须使链式反应持续下去，这就要求每次裂变平均提供一个以上的中子再引起裂变。做到这一点不是容易的。^[6]

一般的核燃料(任何速度的中子都能让它裂变，且还放出多的中子，如，，等)一次裂变均能提供两个以上的中子，但这并不能保证链式反应持续进行，因为这些中子开始时能量一般很高，反应截面很小，而在慢化过程中除了与物质发生弹性和非弹性散射外，还要发生其他核反应，另外还有一些中子可能逃逸出核装置，所以最终能使核发生裂变的只是裂变中子的一部分。因此维持链式反应的条件是：把中子的一切损失考虑进去后，任何一代中子的总数要等于或大于前一代的中子总数。两者值之比叫中子增殖系数k，则有^[4]

当k=1时，链式反应速度恒定，称为临界系统；当k>1时，链式反应速度是发散的，称为超临界系统；当k<1时，链式反应是收敛的，称为次临界系统。^[4]

链式反应使核能的大规模应用成为可能。如果铀的体积大于临界体积，只有中子进入铀块，就会立刻引起铀核的链式反应，并且会在不到百万分之一秒内释放出惊人的核能，形成剧烈爆炸。原子弹就是利用链式反应的原理制成的，其爆炸后会形成巨大的“蘑菇云”。^[6]

为了用人工方法控制链式反应的速度,将核能以比较平缓的方式释放出来，人们研制出了核反应堆。核反应堆是用人工方法控制核裂变并且获得核能的装置，如图4-1所示。核反应堆用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉制成控制棒。用计算机自动地调节镉棒的升降，就能控制裂变反应的快慢，使反应堆保持一定的功率，进而安全地工作。^[6][17]

核电站是利用原子核裂变所释放的能量产生电能的发电站。核电站一般分为两部分:利用原子核裂变产生蒸汽的核岛和利用蒸汽发电的常规岛。^[6]

核能是公认的可大规模代替常规能源的、既干净又经济的现代能源。核电站消耗的燃料极少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30t左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。^[6]

核技术是以核物理、辐射物理、放射化学、辐射化学和核辐射与物质的相互作用为基础，以加速器、反应堆、核辐射探测器和核电子学为支撑技术的综合性现代科学技术。它利用放射性核素的电离辐射以及其他形式的辐射与物质相互作用所产生的物理、化学和生物效应观察自然现象、揭示自然规律、破解科学难题并加以实际应用。^[11]

核技术及其应用所涉及的领域和范围十分广泛，从其技术角度可分为射线技术、同位素技术和支撑技术等三方面。主要内涵如下：

(1)射线技术辐射加工，离子束加工，核分析技术，核成像技术，辐射检测仪表；

(2)同位素技术同位素制备技术，同位素制品(或标记化合物)，放射性药物，放射性年代学，放射性同位素能源，同位素示踪；

(3)支撑技术加速器技术，反应堆技术，核辐射探测和核电子学，放射源技术，辐射剂量学和辐射防护。

从应用出发，可分为：核技术在工业中的应用；核技术在生命科学中的应用；核技术在农业中的应用；核技术在环境科学中的应用；核技术在材料科学中的应用；核技术在能源领域中的应用；核仪器仪表。

核技术以其独特的优势，在几十年发展的基础上，进一步向其他基础学科以及应用领域渗透，形成一些交叉学科或边缘学科，如核天文学、核考古学、核地质学、核海洋学等。^[11][12]

推进新一代核裂变反应堆的研制合作建造第四代核裂变反应堆。2006年11月28日，俄联邦原子能署对外宣称，俄国与美国专家正在合作建造第四代高温气冷核反应堆。第四代核反应堆概念，由世界多国核能专家在2000年共同提出，包括多项要求：^[25]

一是发电成本与本地区其他能源相比有竞争性；

二是投资成本相对低廉，建造周期短；

三是不发生堆芯严重损伤事故，不发生需要场外应急措施的事故；

四是采用高燃耗的燃料，产生最少的放射性废物；

五是可以杜绝核燃料循环产生的材料被用于核扩散等目的。^[25]

据介绍，俄美合作建造的新型反应堆的工作温度，将达到920℃~950℃，能把反应堆中钚等有害的放射性同位素彻底烧掉，因而是一种安全环保反应堆。它以气体作为堆芯冷却和热能传递介质，与传统的水冷反应堆有所区别。此外，它还有一大优点，能在提供热能的同时，顺带产生大量宝贵的副产品氢，这有利于人类摆脱油气等传统能源的依赖，加快进入新能源时代。

这种新型反应堆由美国通用原子能公司和俄罗斯试验机械制造设计局联合研制。目前，俄美双方每年对该项目投资为数千万美元，随着项目的推进，投资还会增加，整个项目预计总耗资将达到20亿美元。^[1][25]

聚变是两个轻原子核合成一个中等质量原子核的反应，由于比结合能增加，因而有大量能量放出。与核裂变相比，核聚变技术旨在融合较轻元素的原子核，主要是氢原子核，因为当轻核融合形成更大的原子核时，也会释放结合能。太阳是通过核聚变释放能量的典型，因为在其中心的氢原子核，即质子，会聚变形成氦。在这个过程中，会释放出巨大的能量：1千克氢的聚变所产生的能量是燃烧1千克硬煤释放能量的千万倍以上。^[5][26]