如果泄漏出去的中子数多于49个,必然使k值小于1,链式反应就不能维持。而如果泄漏出去的中子数少于49个,这样k值就大于1,链式反应的规模就越来越大。
我们知道,中子的泄漏与体系的表面积成正比,而中子的产生则与体系中裂变物质的量,即与体系的体积成正比。对于一定形状的体系,当其尺寸(亦即质量)增加时,体积的增加要比表面积的增加来得快,因而使中子的相对泄漏变小。由此可知,为实现自持链式反应(k=1),存在一个裂变物质的最小体积(或质量),这就是所谓临界体积(或临界质量)。
显然,临界体积或临界质量与体系的几何形状有关。扁平或细长的形状都使表面积与体积的比值增大,从而增加中子的相对泄漏。以圆柱形体系为例,当其直径小于一定数值时,即使把高度无限加大,也不能使其达到临界状态;同样,当高度小于一定数值时,用加大直径的办法也无法使它达到临界。对于一定的体积,以球形的表面积为最小,所以球形体系具有最小的临界质量。
临界质量与体系的物质组成当然有很大的关系。对于纯铀235组成的球形体系,临界质量约为50公斤,临界直径约为16.8厘米。有些体系,由于非裂变物质含量太大,非裂变吸收太严重,即使把尺寸放大到无限大,也不能达到临界状态,纯粹由天然铀组成的体系便属于这种情况。
那么,有没有办法能使天然铀体系达到临界呢?有办法。我们先来分析一下纯粹由天然铀组成的体系内中子的活动情况。由于这种体系除了铀235外,还含有大量的铀238,所以中子的活动情况要复杂一些。大致说来,可以分为以下四种情况:
(1)中子(不论速度快慢)被铀235吸收,大部分引起裂变,小部分只被吸收而不引起裂变,因此总的效果是使中子数目增加。
(2)能量大于1.1兆电子状的中子,被铀238吸收,引起裂变,使中子数有所增加。
(3)能量小于1.1兆电子伏的中子,被铀238吸收,但不引起裂变,因而使中子数目减少。
(4)中子从体系的表面泄漏出去而损失掉。
方便起见,我们暂且忽略(4),只考虑前三种情况,这种没有中子泄漏的体系相当于一个无限大的天然铀体系。这样,使中子数增加的是情况(1)和(2),使中子数减小的是情况(3)。要使体系能维持链式反应,只要这两个方面取得平衡就行了。
但情况(2)引起的中子数增加是不多的,这是因为能量大子1.1兆电子伏的中子与铀238碰撞时,只有很少一部分被吸收而引起裂变,大部分散射回来,损失掉部分能量
这样,能否维持链式反应,就要看情况(1)和(3)哪个是主要的了。在天然铀中,铀235只占一百四十分之一,所以,中子碰上铀235的机会要比碰上铀238的机会小得多。如果在同样的碰撞机会下,对热中子来说(能量下降到周围介质原子平均动能水平的中子称为热中子),它引起铀235裂变的可能性却要比被铀238吸收的可能性大190倍。因此对热中子而言,情况(1)将超过(3),使增殖系数k大于1。
问题在于,中子在损失其能量变成热中子之前,在能量5~100电子伏的区域内,特别容易被铀238吸收(称为共振吸收)。结果k还是小于1,链式反应难以维持。因此,要维持链式反应,就要采取某种措施,使中子的速度迅速减慢,越过强烈吸收中子的共振吸收区域,变成热中子。使用慢化剂,就能达到这一目的。
我们来看一看物体碰撞减速的情况。当一个较小的物体去碰质量大的物体时,例如用乒乓球碰桌子时,乒乓球几乎以原来的速度弹回来,动能损失很小;而当一个乒乓球去碰另一个乒乓球时,由于两者质量几乎相等,乒乓球大约将会损失掉一半的动能。因此采用原子核质量与中子质量相近的物质作慢化剂,则慢化性能比较好。当然还要求慢化剂对中子的吸收能力很小
按上述要求,重氢是一种很合适的慢化剂,它的质量只比中子重一倍,吸收中子的能力又很低。实际使用时,一般不用重氢气体,因为它的密度太小,而是用重氢与氧化合成的重水。石墨也是一种优良的慢化剂,虽然慢化能力比重水差一些,但是价格要比重水便宜得多。
使用了慢化剂以后,大部分中子就迅速地被慢化成热中子,从而使情况(3)减少,使情况(1)增加。这样,就能使原来的非临界体系变成临界体系。例如,用重水或石墨作慢化剂,就能使天然铀体系达到临界状态。普通水也可用作馒化剂,但它吸收中子的能力较大,只有与加浓铀一起,才能构成临界体系
考虑到情况(4),实际体系总是有一部分中子泄漏出去的,这就要求体系有足够大的尺寸,使泄漏出去的中子数只占很小的比例,以使k值大于1,保证链式反应的进行。若在体系周围包上一层能反射中子的所谓反射层,使泄漏出去的中子一部分可以反射回来,那就更有利于链式反应的进行了。所以通常采用石墨作反射层。”
”叮呤呤!”不知不觉中一节课便这样过去了,李刚还有些意犹未尽,原本,上课之前李刚还有些担心,毕竟自己是第一次上课嘛!