臨界質量

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臨界質量是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的一個科技名詞。

語言文字是一個民族文化的結晶。這個民族過去的文化靠着它來流傳,未來的文化也仗着它來推進，從大約是在公元前14世紀，殷商後期的「甲骨文」被認為是「漢字」的第一種形式，西周後期，漢字發展演變為大篆，後秦始皇統一中國，中國文字才逐漸走上了發展的道路，直至今天。

目錄

名詞解釋

臨界質量，是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料，受核子的性質（如裂變橫切面）、物理性質、物料型狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響，而會有不同的臨界質量。影響臨界質量的因素包括核素性質、純度(一般稱為富集度)。

基本介紹

名詞來源

人們曾經援引這個描述原子反應過程的術語來比喻硅谷以及IT行業的迅速崛起——臨界質量（critical mass）。臨界質量是指知識技術積累到一定的臨界點，新技術就會跟裂變反應一樣爆發，並劇烈擴展。（引自《環球科學》2007年第二期《家家都有機器人》：「實際上，儘管它的發展令人振奮，前途一片光明，但誰也說不準這個行業何時才能成長到臨界質量，甚至連它是否會達到臨界點都無人知曉。」）

臨界質量為維持鏈式反應所需要的裂變材料的最小質量稱為臨界質量。少量的裂變材料不能維持鏈式反應(絕大多數中子逃逸了)。臨界質量的大小取決於裂變材料的種類、結構密度、幾何形狀以及核裝置中有無中子反射層結構等。

剛好可能以產生連鎖反應的組合，稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合，核反應的速率會以指數增長，稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應，這種臨界被稱為即發臨界，是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小，裂變會隨時間減少，稱之為次臨界。

後續發展

恩里科·費米最先發現超臨界組合，不一定同時是超過即發臨界。他的發現開展了受控制的連鎖反應的研究，後來發展的核子反應堆及核能都是出於這一發現。

在一定的材料成分和幾何布置下，系統達到臨界所需的易裂變物質的最小質量稱為臨界質量。任何由易裂變物質組成的系統，只有當它的質量達到或超過臨界質量時，才能產生自持或發散的鏈式裂變反應。系統的臨界質量與材料的成分有關，如易裂變材料的種類（235U，239Pu和233U）及其富集度，慢化劑材料（H2O，D2O和C）的性質和系統內各種材料所占的比例以及反射層的材料及其厚度等。臨界質量也與系統內各種材料的幾何排列和系統的形狀（球形、圓柱形或長方形）有關。

相關概念

相關武器

核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈是把一小塊的鈾透過槍管射向另一大塊鈾上，造成足夠的質量。這種設計稱為「槍式」。鈈核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈈原子彈「胖子」的鈈是造成一個在次臨界以下的中空球狀。引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈈擠壓，增加密度及減少空間，造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。

相關資料

臨界質量反射層的作用不僅是通過反射使中子返回裂變物質中以減小臨界質量，而且在於增加系統的慣性，延長它停留

在超臨界狀態的時間。這些效益多少由於從反射層反射回去的中子在各次裂變間隔時間較長而減弱。時間的延長不但是由於中子行程較長，而且也由於在反射層中非彈性散射造成能量損失。因此，反射材料的作用計算取決於反射材料的吸收藏面和散射截面．

饒有興味的是，塞伯的早期計算得出在以鈾—238為反射材料時，鈾—235的臨界質量為15公斤，鈈—239為5公斤。兩個數字都準確到合理誤差以內。這也許在很大程度上是僥倖，因為當時作出的許多假設都是粗略的估計。儘管如此，這也足以說明當時的基本理論已經很先進。

佛里希和派爾希斯的較小的鈾235臨界質量是按合理的理論計算出來的。整個冬天在地磁研究所的默爾·圖夫的小組一直不斷地努力改進截面值的測定工作；到了3月份圖夫已能把鈾235的快中子截面測定值送交英國，英國人根據這個數值確定的臨界質量比佛里希和派爾斯的估計略大：不加反射器時約為18磅，如果包上適當的反射器則為9或10磅。

世界理論研究

塞伯討論了裂變截面、二次中子能譜、每一裂變的平均二次中子數(當時測到的約為2．2)、鈾238俘獲中子從而導致鈈的過程以及為什麼普通鈾是安全的(這位年輕的理論家指出：「要使爆炸性的反應成為可能」，至少需要使鈾235的濃度達到7%)等問題。他已經在把原子彈稱作「小玩意兒」了，此後在山上成為原子彈的別名，這種遮人耳目的隱喻很可能是奧本海默杜撰出來的。

塞伯所提出的計算法表明使用厚層的普通鈾作為反射層鈾235的臨界質量是15公斤(33磅)。如果用鈈並加以類似的反射層，臨界質量可能是5公斤(11磅)。這樣，原子彈的心臟可能只有甜瓜大小的鈾235，或者柑桔大小的鈈，周圍用西瓜大小的普通鈾做反射層，兩個緊套在一起的球的直徑大約為18英寸。這樣形狀的重金屬反射層重約一噸。

能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料，臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。鈈則為10公斤左右。

伯克利的理論家羅伯特．克里斯蒂設計了一個較為保守的實體彈芯，兩個相配的半球總量不到一個臨界質量，而內爆將把它們原有的密度至少擠壓得增加一倍，縮短了裂變中子在原子核之間穿行的距離，從而使質量超過臨界。弗里希的小組在6月24日用試驗證實了彈芯的構型。對高密度形態的鈈來說，在重反射層中臨界質量是11磅；即一個硬殼果大小的鈈中心有一個空洞以接受引爆器，「三一計劃」的彈芯也不可能比一個小橙子大。