再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第五節

2.5 原子核裂變

    有些不穩定的核素可以進行非α-衰變或β-衰變的核裂變。在這個過程中，原子核裂變成兩個大小和成分不盡相同的大碎片，另外還有兩三個獨立的中子。由原子核裂變釋放出來的能量大部分轉變為活性能量，從而引起兩個裂變碎片和中子像燙傷了的小貓似的往外沖；另有一些能量以γ-輻射的形式被釋放出來。

    有些核素自發地進行核裂變，而另一些核素只能通過中子俘獲才能裂變。在後者中，有些還只能被高能中子裂變，而另一些則很容易被任何中子裂變，不管那些中子有沒有活性能量。這樣就導致了如下的差別：

    1，一個核裂變核素釋放的中子的能量太低，不能使同種核素的其他原子核發生裂變。

    2，一個易裂變的核素所釋放的中子能夠裂變同種核素的其他原子核；因此對於這些核素來講，裂變可能成為連鎖反應。

    在鈾的同位素中，鈾238是可裂變的；而鈾235是易裂變的。鈾235確實是唯一天然豐度可用的裂變核素。不過也還有一些裂變核素能夠人工用某些前體核素製造出來；這些前體核素被稱為是“可繁殖的”。最重要的可繁殖核素是鈾238和釷232，它們通過中子俘獲連續進行兩次β-衰變，而分別變為易裂變核素鈈239和鈾233 。（腳註10）雖然釷232比鈾238更豐富，但它的裂變衍生物鈾233用於作炸彈原料還存在一些技術障礙。這樣就剩下鈾235和鈈239成為了這個用途的候選原料；廣島的炸彈（小男孩）據說是含有鈾235，而長崎的炸彈（胖子）據稱含有鈈239 。

2.5.1 原子核裂變產物

     每一種易裂變核素都會產生裂變產物的擴散，而不是兩種不同的物質，這種擴散的情形在兩種不同的核素之間存在一定的差別，同時隨着引起裂變的中子的能量的不同而不同；在核反應堆與炸彈之間尤其不同，它們分別用的是低能量中子和高能量中子。圖2.4顯示的是鈾235和鈈239在快中子裂變時產物的擴散情況，這就是說在環境條件相似的情況下，這些產物在裂變炸彈中普遍存在。裂變產物分成兩個團，中心分別含有約140個核子和95個核子。這兩種核素產生數量相近的銫137 。關於銫已經在第一章里作為環境塵埃樣品中的標誌物進行了介紹。在這兩種情況中，大約有6%的裂變產生了銫137；因此根據塵埃中銫137的豐度就能夠估算出炸彈中確實發生裂變的總量。

  圖2.4 鈈239和鈾235在快中子裂變中的產物。

Fission yield (%)：裂變產額（%）；Number of nuclens：核子數。     

 帶有相同數量核子的核素被歸併在這個圖表中，但有三個突出標識的核素各有自己的核子數。鍶（Sr）90的化學性質與鈣相似，在骨骼中積存，而碘131則積存在甲狀腺中。銫137與鉀相似，可廣泛地積存在機體組織中。另外，銫還普遍應用來作為環境中核塵埃的標誌物。數據引自【44】。

    碘131和鍶90是裂變產物，它們可以積存在特定的器官中，並有可能引起疾病。鍶90的化學性質與鈣相似，並在骨礦物質中積存起來；它與骨髓接觸可能是白血病的病因之一。鍶90的半衰期是28.8年，這就意味着在相當長的時間裡都能在骨骼中檢測到它的存在。相比之下，碘131的半衰期只有一個星期；但這個長度也足以使它能夠隨塵埃飄散，並在甲狀腺組織中積存起來。切爾諾貝利核電站的災難中，碘131的釋放和擴散在烏克蘭和白俄羅斯的相鄰地區引發了大量甲狀腺疾病。【45】

    需要注意的另一個問題是，以上討論的三種裂變產物通常不會直接形成；相反，裂變的產物往往非常短命，經過一次或多次β-衰變才成為壽命較長的產物；這在圖2.5中進行了說明。作為二次衰變的一部分被發射出來的γ-射線對炸彈的輻射有直接的重大作用。這些衰變活動有些也會釋放中子；這樣的“慢中子”在炸彈的輻射中只起很小的作用，但它們對控制核反應堆內部的連鎖反應至關重要。

 圖2.5 作為質子數和中子數的函數的原子核穩定性。

Neutrons：中子；Protons：質子；stable：穩定性。

左圖：幾乎所有的質子數（或電子數）都高達82時，至少有一個中子數會產生一個穩定的原子核（黑色）。長半衰期放射性同位素（藍色陰影）通常在接近穩定性的這個區域裡發現，這種穩定性向上略微彎曲。右圖：一個鈾235原子核作為它的一個裂變產物，可能產生一個帶52個質子和85個中子的核素（碲137；白色箭頭）。在它形成的幾分鐘內，這個極不穩定的物質將連續進行三次β-衰變，而成為銫137（黃色圓圈；見插圖）。它仍然有放射性，銫137的長半衰期足以使它在數十年內仍然能夠檢測到。

2.5.2 裂變彈

     個裂變彈的引爆是通過連鎖反應發生的，裂變開始時，首先是鈾235或鈈239的原子俘獲一個中子——由安置在炸彈上的一個小的中子源提供——然後才進行裂變。這樣產生兩塊破裂的原子核和2至3個中子。這幾個中子每個都會被另一個裂變的原子核俘獲，從而引起連鎖裂變。這種二次裂變活動的可能性取決於每個自由電子的射程之內易裂變原子核的數量。一旦這種可能性變得很高，基本上每個進行裂變的原子核在它們的下一代中都產生不止一次的裂變活動，連鎖反應就會急劇地增強，從而引起爆炸。

    根據前文提到過的，我們可以粗略地知道核爆炸將是什麼後果。裂變產物和中子的巨大活性能量都轉換成了熱能。這個熱能產生閃光，同時推動周圍的空氣膨脹，空氣由此產生一股壓力衝擊波。大量的γ-射線和一些中子就會從引爆的炸彈核心中逃竄出來，產生強烈的離子輻射脈衝。另一方面，由短半衰期裂變的中間產物所釋放的β-粒子只有很短的自由路徑，繼續被封閉在核心之中。概括來講，一顆裂變原子彈的即時遠程效應具有強大的輻射熱、衝擊波以及電離γ-輻射和中子輻射。

5.2.3 裂變當量

  在第1.2一節中，我們已經注意到，在廣島上空引爆的所謂鈾彈中，50公斤的鈾235中只有大約1 公斤發生了裂變，而其餘的據說都四處散落了。為什麼會發生這樣的情況？

  臨界質量只有保持在一起的時候，連鎖反應才會持續。一旦連鎖反應開始，它就會釋放熱量，從而把臨界質量吹散。裂變炸彈製造中的一個關鍵問題就是使臨界質量保持足夠長的時間，以使連鎖反應有足夠的裂變材料。在臨界質量分散之前實際裂變的裂變材料的分量稱之為裂變當量。

【腳註】

10，你可能已經注意到了，鈾238既是可繁育的又是可裂變的。一次俘獲的結果取決於俘獲的中子的能量；快中子將會產生裂變，同時慢中子開始轉化成鈈239 。