更新时间:2022-08-25 18:38
1976年6月,法国科学院接到一个报告:法国的一家工厂从非洲中部的加蓬共和国进口了一批铀235矿石,经检测发现其含铀量不足0.3%,远远低于一般矿石含量0.711%,显示此原料已被使用过。这个现象引起了科学家的注意,他们用各种技术和科学方法,寻找矿石中铀235含量变低的原因。最后,科学家在当地找到一个天然核反应堆。
上奥果韦省(Haut-Ogooué),是加蓬九省之一,位于加蓬东南部,和刚果共和国交界。上奥果韦省面积36,547平方公里,下辖有8个县。该省首府和最大城市为弗朗斯维尔。
铀(Uranium)是一种银白色金属化学元素,属于元素周期表中的锕系,化学符号为U,原子序为92。每个铀原子有92个质子和92个电子,其中6个为价电子。铀具有微放射性,其同位素都不稳定,并以铀-238(146个中子)和铀-235(143个中子)最为常见。铀在天然放射性核素中原子量第二高,仅次于钚。其密度比铅高出大约70%,比金和钨低。天然的泥土、岩石和水中含有百万分之一至百万分之十左右的铀。采矿工业从沥青铀矿等矿物中提取出铀元素。
自然界中的铀以三种同位素的形式存在:铀-238(99.2739至99.2752%)、铀-235(0.7198至0.7202%)、和微量的铀-234(0.0050至0.0059%)。铀在衰变的时候释放出α粒子。铀-238的半衰期为44.7亿年,铀-235的则为7.04亿年,因此它们被用于估算地球的年龄。
铀独特的核子特性有很大的实用价值。铀-235是唯一自发裂变的同位素。铀-238在快速中子撞击下能够裂变,属于增殖性材料,即能在核反应堆中经核嬗变成为可裂变的钚-239。铀-233也是一种用于核科技的可裂变同位素,可从自然钍元素制成。铀-238自发裂变的机率极低,快中子撞击可诱导其裂变;铀-235和233可被慢中子撞击而裂变,如果其质量超过临界质量,就都能够维持核连锁反应,在核反应过程中的微小质量损失会转化成巨大的能量。这一特性使它们可用于生产核裂变武器与核能发电。耗尽后的铀-235发电原料被称为贫铀(含U),可用做钢材添加剂,制造贫铀弹和装甲。
铀是铀玻璃中颜色的来源,能产生橙红至青黄色。早期摄影曾使用铀为照片着色和晕渲。1789年,马丁·克拉普罗特在沥青铀矿中发现了铀元素,并将其以天王星(Uranus)命名。尤金-梅尔希奥·皮里哥首次分离出铀金属,而亨利·贝可勒尔则于1896年发现了铀的放射性。1934年起恩里科·费米等人进行研究,使铀成为了核能工业所用的燃料和用于轰炸广岛的小男孩原子弹原料。冷战期间美国和苏联进行军备竞赛,生产了数万个含铀或衰变产物为铀-235的钚-239的核武器。苏联解体后苏联核武器的安全问题受到公众的关注。
核裂变(德语:Kernspaltung;英语:nuclear fission),在港台称作核分裂,是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钚,裂变成较轻的(原子序数较小的)原子的一种核反应或放射性衰变形式。核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电站最常见。
重核原子经中子撞击后,裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子,并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成链式反应而自发裂变。原子核裂变时除放出中子还会放出热,核电站用以发电的能量即来源于此。因此核裂变产物的结合能需大于反应物的的结合能。
核裂变会将化学元素变成另一种化学元素,因此核裂变也是核迁变的一种。所形成的二个原子质量会有些差异,以常见的可裂变物质同位素而言,形成二个原子的质量比约为3:2。大部分的核裂变会形成二个原子,偶尔会有形成三个原子的核裂变,称为三裂变变,大约每一千次会出现二至四次,其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。
现代的核裂变多半是刻意产生,由中子撞击引发的人造核反应,偶尔会有自发性的,因放射性衰变产生的核裂变,后者不需要中子的引发,特别会出现在一些质量数非常高的同位素,其产物的组成有相当的机率性甚至混沌性,和质子发射、α衰变、集群衰变等单纯由量子穿隧产生的裂变不同,后面这些裂变每次都会产生相同的产物。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物质当中子撞击引发核裂变时也会释放中子,因此可以产生链式反应,使核裂变持续进行。在核电站中,其能量产生速率控制在一个较小的速率,而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。
由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个,因此若对链式反应不加以控制,同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多,将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量,需要在90%以上。
核能发电应用中所使用的核燃料,铀-235的含量通常很低,大约在3%到5%,因此不会产生核爆。但核电站仍需要对反应堆中的中子数量加以控制,以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼,并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能裂变。
核裂变时,大部分的裂变中子均是一裂变就立即释出,称为瞬发中子,少部分则在之后(一至数十秒)才释出,称为延迟中子。