核武器的物理基础

 利用能自持进行的核裂变或核聚变反应释放的能量,产生爆炸作用并具有大规模杀伤破坏效应的武器,总称为核武器。其中,利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成的武器,叫裂变武器,通常称为原子弹。利用重氢（（₁²）H,即氘）或超重氢（（₁³）H,即氚）等轻原子核的热核反应原理制成的武器,叫热核武器或聚变武器,通常称为氢弹。以高能中子辐射为主要杀伤因素的低当量小型氢弹,称为中子弹。 一、原子弹 铀235、钚239这类重原子核在中子轰击下,会分裂为两个中等质量数的核（称为裂变碎片）,同时放出2-3个中子和约2.9×10^-11J的核能。     

核能应用与核电事故

 德国著名化学家哈恩早年从事放射化学研究,在矿物分离等研究过程中,出人意料地发现了放射性钍Th、锕Ac及镤₉₁²³⁴Pa等;1938年,哈恩、斯特拉斯曼和梅特纳,在费米、伊仑·居里等人用中子轰击铀核的实验基础上,进行了大量的实验与分析,提出了中子打进铀核,引起铀核剧烈振荡,使铀核发生形变,最后分裂成两个原子核.铀核裂变既放出巨大能量,又释放出中子.每一个铀核裂变,将放出200MeV的能量,并且放出2-3个中子,这些中子被另外的铀核分别吸收,又再引起铀核裂变,如此继续下去,形成链式反应.1942年费米利用核裂变的链式反应,建立了世界上第一个可控的链式反应装置--核反应堆,揭开了人类利用原子能的新篇章.原子能首先在军事上应用.1945年美国最先安装了核爆炸装置,制造和爆炸了原子弹,1949年苏联也研制成功原子弹,打破了美国的核垄断,英国于1952年、法国于1960年相继试爆原子弹成功.我国也于1964年成功爆炸了自己研制的第一颗原子弹.     

能量放大器——加速器驱动反应堆获得干净核能的新思路

 不久前,西欧核子中心主任、诺贝尔奖金获得者鲁比亚（C.Rubbia）领导的一个小组从高能物理实验中常用的量能器概念出发,提出了一个提供干净核能的新概念:利用高能强流质子加速器（能量0.8-1.5GeV,平均流强～7mA）产生的高能质子束,在物质中形成核级联过程而产生大量的中子,天然钍(²³²Th)俘获中子而转变为裂变元素²³³U,²³³U又裂变产生中子维持链式反应,他们将这个装置称为能量放大器,装置启动后,裂变元素在天然钍中的比例很快可以达到相对稳定,形成一个长期稳定的能量产出,装置运行于次临界状态和相当低的中子通量下(～10¹⁴cm^-2·s^-1)以确保增值过程的稳定持续和设备无临界危险。     

一种基于~4He气闪烁体的裂变中子探测器

研制了一种新中子探测器,它以²³⁵UO₂裂变靶作为转换靶,⁴He气体作为闪烁体.该探测器充分结合了²³⁵U和⁴He两种核素的特点,从而具有中子能量响应平坦、中子灵敏度较高、n/γ分辨本领高等优点,能很好地在混合脉冲裂变辐射场中测量中子.本文对探测器的原理和结构设计进行了介绍,计算了不同能量中子、γ射线在探测器中的能量沉积,并从理论和实验上对探测器的中子灵敏度、γ射线灵敏度、n/γ分辨本领和时间响应进行了研究.结果表明探测器的中子灵敏度约10^-15C·cm²,γ灵敏度约10^-17C·cm²,时间响应约33.1 ns.     

中子诱发232Th裂变初始碎片质量及动能分布Monte-Carlo研究

随着第四代反应堆以及先进核能利用系统的发展,对中子核数据提出了高精度、多核素、宽能区的新要求.目前,中国核数据评价库(CENDL库)中相关核裂变的数据较缺失,不足以满足当前核能发展的需求.因此,建立面向中子核数据需求的可靠计算方法和工具变得极为重要.本文基于Monte-Carlo方法建立了裂变碎片质量动能计算模型,研究了中低能中子诱发²³²Th(n,f)反应发射中子前裂变碎片的分布特性.对于裂变碎片质量分布,本模型计算结果与实验值最大偏差约1%,与GEF, TALYS程序计算结果 (与实验值最大偏差约2%)相比具有一定优势.对于发射中子前裂变碎片动能分布,本模型计算结果与实验数据一致.结果表明,所发展的计算模型能够较好地预测²³²Th(n,f)反应发射中子前裂变碎片数据,为中子诱发锕系核裂变反应计算提供一种新思路.     

狭缝式高灵敏裂变中子探测系统

研制了狭缝-外延式高灵敏大面积PIN裂变中子探测系统. 其对14MeV，2.5MeV中子灵敏度可达10^-16C·cm²，比原有典型的脉冲裂变中子探测系统高4个量级. 采用外延式铅狭缝准直结构，研制灵敏区尺寸为60mm，厚度为200μm—300μm的大面积PIN半导体探测器、以Be膜为衬底，有效直径为60的²³⁵U裂变靶，解决了该探测器研制中的高灵敏度和n/γ分辨难题. 该系统已在实践中获得成功应用. 关键词： 裂变中子探测系统 大面积PIN探测器 大面积裂变靶 高灵敏探测系统     

谈谈贫铀和贫铀弹

 自“贫铀弹”事件在欧洲被披露出来后,引起国际社会的极大关注,整个世界几乎都在评论着贫铀弹的是是非非。那么,一个看来本不起眼的“贫铀弹”为何会掀起如此轩然大波呢?在这里我们来谈谈贫铀和贫铀弹。一、铀铀是一种重金属元素,天然铀中有3种同位素:铀238、铀235和铀234,其中铀235是一种核裂变材料,常用于制造原子弹。根据铀裂变反应式可知,一个铀核裂变就能释放原子能201ＭｅＶ,1ｋｇ铀核能够释放原子能为8.2×10¹³Ｊ,而1ｋｇ无烟煤燃烧时释放化学能为3.35×10⁷Ｊ。     

重核裂变瞬发中子能谱的蒸发模型理论

本文用蒸发模型计算了重核裂变碎片的瞬发中子能谱,发现在约化后基本上是普适谱.用算得的碎片蒸发中子谱计算了^235,238U、^239,240Pu 的裂变瞬发中子谱,平均中子数及中子平均能量,得出了计算平均中子数及中子平均能量的普遍近似公式。入射中子能量为0—18 MeV,计算结果一般在5％以内与实验符合.在较严格的蒸发模型计算的基础上重新推出了 Terrell 公式.本工作表明蒸发模型的概念运用于裂变瞬发中子的情形基本上是成功的,但需要引入约10％的断裂前中子。     

碰撞几何构型对相对论重离子碰撞旁观者核子的影响（英文）

在不同的核物质对称能下利用约束的Skyrme-Hartree-Fock-Bogolyubov计算得到了形变核的核子分布,基于此计算了RHIC能量下形变核碰撞产生的自由旁观者核子数及中质子产额比,并分析了中子皮和碰撞几何构型的影响。本工作发现,相比于其他碰撞构型,长椭球核的头对头碰撞和扁椭球核的腰对腰碰撞产生的自由旁观者核子数最少。旁观者中质子产额比敏感于中子皮的平均厚度,因此是对称能的良好探针,但不同碰撞几何构型所得到的产额比依赖于中子皮的极化角分布。在某些碰撞体系中,碰撞几何构型的效应大约为对称能效应的50%。由于²³⁸U和⁹⁶Zr的特殊形变中子皮,相对于其他碰撞构型,旁观者中质子产额比对对称能的敏感性在头对头的²³⁸U+²³⁸U碰撞和腰对腰的⁹⁶Zr+⁹⁶Zr碰撞得到了增强。此研究可能开启新的研究方向,即通过筛选高能形变核碰撞的几何构型来研究形变的中子皮分布。     

问题解答

問:鈾核分裂时放出的高速中子的动能是那里來的?为什么有一小部分中子在核分裂后經过許多秒鐘才能產生? 答:鈾核裂变时平均放出2个到3个中子,在这些中手中,有的能量可以高到10百万电子伏,不过大多数都在1—2百万电子伏左右。我們可以这样想像放出中子的过程:在鈾核裂变过程中,剛剛形成的兩个碎片常常是在很高的激發狀态下的,有的碎片有足够能量放出一个中子,本身变为原子量小1的同位素。     

裂变产物的中子核反应数据研究现状

前言重原子核在中子、质子、重核、介子和γ光子作用下均能发生裂变。其中最有实用价值的是铀和钚在中子作用下的裂变,因为这些裂变产生新中子,新中子又能够继续引起裂变,从而实现链式反应,大规模地释放核能。当前,核能利用中使用最多的是~(235)U 和~(239)Pu,后者主要用于核武器,前者除用于核武器之外更广泛地用于各种类型的反应堆。     

基于双核模型对准裂变产物质量分布的研究

在双核模型基础上引入一维的Kramers公式，计算了⁴⁸Ca+²⁴⁴Pu，⁴⁸Ca+²³⁸U和⁵⁸Fe+²³²Th这三个反应准裂变碎片的质量分布，得到了与实验比较符合的结果.同时提取出了碎片质量分布随时间的演化关系，为理解熔合与准裂变竞争过程提供了非常有用的信息.由于准裂变在重离子熔合反应中起着重要作用，理论计算与实验结果的比较是对现有熔合模型的重要检验. 关键词： 超重元素 熔合反应 准裂变产物 质量产额     

乏燃料贮运用铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能计算

采用蒙特卡罗方法, 利用MCNP程序计算了在中子能量为0.5–20 MeV, ²³⁵U核热中子裂变源条件下, 厚度为3–9 cm、碳化硼含量5%–15%的铝基碳化硼复合材料在空气、水、200–1400 ppm (1 ppm=10^-6) 硼酸溶液介质中的中子透射系数. 结果表明: B₄C/Al复合材料的透射系数随碳化硼含量和材料厚度的增加而减少, 随中子能量的升高而增大, 而硼酸浓度的改变对中子透射系数影响不大. B₄C/Al复合材料在水中比硼酸中更能发挥其屏蔽效果, 在空气中屏蔽特性显现出“反转”现象, 中子能量高于5 MeV时透射系数几乎没有变化. 在裂变源条件下的B₄C/Al复合材料中子透射系数均比稳定源20 MeV 低. 介质的中子屏蔽效果是硼酸溶液>水> 空气, 水介质的中子透射系数与介质厚度呈指数下降关系, 裂变源和稳定源条件下分别近似为e^-0.71x和e^-0.669x, x为厚度(cm). 关键词： 蒙特卡罗 乏燃料设备 中子吸收材料 4C/Al')" href="#">B₄C/Al     

反应堆235U裂变源辐射防护材料的优化设计

以热中子反应堆²³⁵U裂变源为辐射源,利用MCNP程序对其能谱进行模拟并研究其辐射防护,结果表明对²³⁵U裂变源所发射的能量高于3MeV的瞬发中子,重金属具有良好的屏蔽效果,而对于能量低于1MeV的中子,轻氢材料的防护效果更好;W/LiH,W/B₄C,TiH₂/W三种复合材料当质量比满足：W：LiH=19：1,W：B₄C=9：1,W：TiH₂=3：1时材料的屏蔽效果最佳;通过遗传算法结合MCNP模拟,得到W/TiH₂/B₄C,TiH₂/Cu/Gd,TiH₂/B₄C/Gd三种复合材料的最优组分配比,源每次裂变产生的粒子穿过这三种材料后在等效组织中造成的剂量当量率（10^-11Sv·h^-1）与材料厚度呈指数下降关系,三种材料分别可近似为1.071exp（-0.187 8x）,1.077exp（-0.166 2x）和1.608exp（-0.171 9x）,x为材料厚度（cm）.     

广岛长崎原子弹爆炸的回顾与反思

 1945年8月6日,美国一架B-29战略轰炸机在日本广岛上空投下了第一颗原子弹,8月9日又在长崎投下第二颗原子弹,至今已整整60年了。原子弹的使用尽管迫使日本于1945年8月15日宣布无条件投降,结束了第二次世界大战。但是并未为人类赢得永久的和平,相反地却把世界带进了原子战争的时代,笼罩在广岛长崎上空的原子弹烟云,绵延到整个世界,核武器从此开始威胁全人类。一、原子弹的物理基础原子弹是利用原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。其基本原理是:铀235、钚239等重核在中子轰击下发生裂变反应,这一过程同时放出2～3个中子和200MeV的能量（相当于3.2×10¹¹焦耳）。     

减速剂与受控链式反应

 重核的裂变开辟了丰富的核能资源。然而裂变却泾渭分明地表现为过程与效果截然迥异的两种方式,且唯有受控裂变以链式反应的方式进行,核能才得以用于生产和科研而造福人类。为此目的,“减速剂”发挥着必不可缺的关键性作用。那么,在这一过程中减速剂到底是如何发挥其作用,而人们又是根据什么原则来选用它的呢? 一、减速剂的作用原理与机制 核弹以极纯的U-235为核燃料,达到“临界体积”（58厘米³,1.083千克）的铀块是借助于俘获宇宙线中源自恒星热核聚变的（或铀块中自发裂变产生的）中子的“点火”而触发快速链式反应的。但反应堆不能使用纯U-235,因其临界体积太小,裂变不能控制,故只能使用天然铀或浓缩铀（分别含0.715％和5％以上的U-235）,以使临界体积极大地增大,才能达到施加控制、实现核能的缓慢释放的目的。     

235U(n,f)裂变的三通道理论研究

将裂变的多通道模型和无规颈断裂模型相结合,系统地计算了0≤En≤6.0MeV中子诱发²³⁵U裂变的碎片质量分布和平均总动能分布.通过最小二乘法与实验数据拟合,得到了²³⁵U(n,f)裂变的三个通道道概率随中子能量变化的规律.理论计算结果与实验数据符合得较好.     

基于裂变γ标识技术的瞬发裂变中子谱测量新方法

瞬发裂变中子谱（prompt fission neutron spectrum,PFNS）是用于核实验诊断过程中十分重要的参数数据,传统的测量主锕系核素（U,Pu）PFNS的技术手段是采用裂变室,利用裂变碎片标识裂变中子,通过中子飞行时间技术获得裂变中子谱.目前出现了一种新的用于PFNS测量的技术,其原理是基于如下的物理事实：在一次裂变过程中,释放中子的同时伴随着释放7–8个γ射线光子,而非弹性散射效应产生的γ射线光子只有1–2个.据此,可以通过裂变γ射线的多重性将裂变中子和其他杂散中子甄选出来,达到测量PFNS的目的.本文建立了基于裂变γ标识技术的PFNS测量实验系统.利用该系统对²⁵²Cf中子源的PFNS进行了实验测量,测量结果与传统的裂变碎片标识法及ENDF/B-VⅡ数据库的标准谱进行了比较,对新方法的裂变标识率以及实验不确定度也一并进行了分析.     

蒙卡程序计算临界基准题测试检验ENDF/B-Ⅷ.0核数据库

采用MCNP程序和ENDF/B-Ⅶ.1,ENDF/B-Ⅷ.0核数据库,对119个模型构成的临界基准题进行了临界计算测试检验。此临界基准题模型包含²³³U、高浓铀、中浓铀、低浓铀和钚材料的临界实验系统,中子能量覆盖了快中子、中能中子和热中子能谱。采用ENDF/B-Ⅷ.0核数据库的计算有效增殖因子keff结果与基准实验结果相对偏差的均值和标准差分别为-68.98×10^-5和407.88×10^-5,检验计算keff结果与基准实验结果的偏差与基准实验不确定度比值在1σ（σ为标准不确定度）以内、1σ～3σ区间和大于3σ的数量分别为107,9和3个;将此结果与相同条件下ENDF/B-Ⅶ.1核数据库的计算结果进行了比较,表明ENDF/B-Ⅷ.0核数据库对临界计算更准确,与实验模型结果符合更好。     

U~(235)及Pu~(239)裂变中子能谱的测量

利用核-3乳胶测量了热中子引起U~(235)及Pu~(239)裂变中子能谱。结果如下:(1)Pu~(239)裂变中子能谱显著地较U~(235)裂变中子能谱为硬。其平均能量分别为:_(Pu)=1.989±0.024兆电子伏;_u=1.867±0.015兆电子伏。(2)在 2-3兆电子伏区域,发现有一个曲折,表明可能存在着能谱上的某种“结构”现象。