Nuclear_05

Nuclear Fission and Fusion (核裂变与核聚变)

Discovery of Nuclear Fission (核裂变的发现)

• 1938年：Otto Hahn 和 Fritz Strassmann（化学家）与 Lise Meitner 和 Otto Frisch（物理学家）共同发现核裂变
• 1934年：Enrico Fermi 首次观测到该现象（1938年诺贝尔物理学奖）
• 关键实验：用慢中子轰击铀产生钡元素，命名为"裂变"（fission）

  \ce{^{235}_{92}U + n -> ^{236}_{92}U -> ^{144}_{56}Ba + ^{89}_{36}Kr + 3n}

历史注记：Fermi 最初误判为超铀元素生成，Hahn 因裂变发现获1944年诺贝尔化学奖。

---

Nuclear Fission Process (核裂变过程)

可裂变材料

• 铀-235（$^{235}\text{U}$）：天然铀中占0.72%，唯一可引发链式反应的原始核素
• 钚-239（$^{239}\text{Pu}$）：人工制备，核武器主要原料

能量释放机制

结合能法计算：

$$\begin{align*} \Delta E &= -\left(E_B^{\text{initial}} - E_B^{\text{final}}\right) \\ &= -(7.6 \times 236 - 8.3 \times 144 - 8.6 \times 89) \text{ MeV} \\ &= 167 \text{ MeV} \end{align*}$$

• $^{236}\text{U}$ 结合能：7.6 MeV/核子
• $^{144}\text{Ba}$ 结合能：8.3 MeV/核子
• $^{89}\text{Kr}$ 结合能：8.6 MeV/核子

质量亏损法验证：

$$\Delta E = (236.04557 - 143.922953 - 88.91784 - 3 \times 1.0086649) \times 931.5 = 167 \text{ MeV}$$

能量规模：1克 $^{235}\text{U}$ 完全裂变释放 $7.5 \times 10^{10}$ J，相当于3吨煤燃烧！

---

Chain Reaction and Nuclear Weapons (链式反应与核武器)

链式反应原理

中子诱发裂变 → 释放新中子 → 持续引发更多裂变
临界质量（critical mass）：维持自持链式反应所需最小裂变材料质量

核武器设计

设计类型	原理	特点
枪式法	两块亚临界铀块高速碰撞达到超临界状态	效率低（仅用于"小男孩"）
内爆法	高能炸药压缩球形钚核心至超临界状态	效率高（"胖子"采用）
高浓铀要求	铀浓缩度 ≥ 20%（HEU）	临界质量：~52 kg（铀）

放射性后果：

• 裂变产物（fission products）构成放射性沉降物（fallout）
• 中子活化（neutron activation）产生次级放射性物质

---

Manhattan Project (曼哈顿计划)

1942-1946年 美国主导的核武器研发计划

• 总指挥：Leslie Groves 少将
• 科学负责人：Robert Oppenheimer（洛斯阿拉莫斯实验室主任）
• 参与国：英国、加拿大
• 耗资：$23 billion（2020年币值）

关键成果

1. 1945.7.16：Trinity 试验（首颗内爆式钚弹）
2. 1945.8.6：枪式铀弹"小男孩"轰炸广岛
3. 1945.8.9：内爆式钚弹"胖子"轰炸长崎

中国里程碑：1964.10.16 成功试爆首颗原子弹

---

Nuclear Fission Reactors (核裂变反应堆)

基本构成

组件	功能
燃料元件	3% 富集铀陶瓷芯块（200+根组成燃料组件）
重水减速剂	慢化中子提高反应概率
控制棒	硼/镉材料吸收中子调节反应速率
压力容器	耐高温高压屏蔽辐射

工作原理

1. 裂变释放热能 → 加热冷却水产生蒸汽
2. 蒸汽驱动汽轮机发电
3. 能量转化效率：~35%

---

Nuclear Fusion (核聚变)

基本原理

轻原子核结合成较重核，质量亏损释放能量：

$$\Delta E = (m_{\text{initial}} - m_{\text{final}}) c^2$$

恒星能源机制

太阳质子-质子链反应：

$$4p \rightarrow {}^4\text{He} + 2e^+ + 2\gamma + 2\nu + 26.7 \text{ MeV}$$

• 太阳参数：
  • 质量：$1.99 \times 10^{30}$ kg
  • 聚变速率：$6 \times 10^8$ 吨氢/秒 → $4 \times 10^6$ 吨质量转化为能量
  • 寿命：$10^{10}$ 年（当前年龄46亿年）

---

Artificial Fusion Methods (人工聚变方法)

聚变发生条件

克服库仑势垒（Coulomb barrier）→ 量子隧穿效应（quantum tunneling）
三大约束途径：

方法	原理	应用实例
惯性约束	激光/粒子束压缩燃料靶丸	氢弹、NIF装置
磁约束	磁场束缚等离子体	托卡马克（ITER）
惯性静电约束	电场约束离子	聚变器（Fusor）

热核武器（Thermonuclear Weapon）

二级内爆式设计：

1. 初级裂变：压缩钚芯引发裂变 → 释放X射线
2. 辐射内爆：X射线电离聚苯乙烯 → 压缩次级聚变燃料
3. 聚变点火：$^6\text{LiD}$ 生成氚 → $D+T$ 聚变 → 中子诱发 $^{238}\text{U}$ 裂变

---

Tokamak and ITER Project (托卡马克与ITER计划)

托卡马克装置

• 原理：环形磁场约束$10^8$ K高温等离子体
• 现状：最有希望实现可控聚变的装置类型

国际热核实验堆（ITER）

• 启动：2013年建设，预计2035年运行
• 参研国：中、欧、印、日、韩、俄、美七方
• 目标：输出功率500 MW（输入50 MW）