中文名 | 超臨界質(zhì)量 | 外文名 | supercritical mass |
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領????域 | 核物理 |
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(shù)大塊,每塊質(zhì)量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結(jié)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(zhì)量。這種設計稱為“槍式”。钚核彈不能以這種方法引爆。第一枚钚原子彈“胖子”的钚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钚擠壓,增加密度及減少空間,造成即發(fā)臨界。這種設計稱為“內(nèi)爆式”。
臨界事故(英語:criticality accident)是核反應堆發(fā)生鏈式反應導致功率失常激增引起的事故。事故中濃縮鈾或钚等裂變材料中的鏈式反應能產(chǎn)生強烈的中子輻射,對人類傷害極大,并且會在周圍環(huán)境中引發(fā)感生放射性。臨界或超臨界核裂變一般發(fā)生在反應堆堆芯內(nèi)部或?qū)嶒炛小?
雖然臨界事故危害較大,但是它一般達不到原子彈的設計條件,因此一般不會引發(fā)核爆炸。核反應產(chǎn)生的熱量可能會讓核材料膨脹,因此幾秒之后材料又將處于亞臨界狀態(tài),反應停止。在原子能的發(fā)展歷程中,在反應堆外收集核裂變材料的時候曾經(jīng)發(fā)生過60次臨界事故,其中一些事故導致離事發(fā)地點較近的人員因接受了過量的輻射而死亡。不過,沒有一起事故引起過爆炸。
把鈾或钚的單質(zhì)、化合物或溶液混合起來,就有可能引發(fā)臨界事故。決定混合物是否達到臨界點(即是否發(fā)生臨界反應)的因素包括:同位素的比例;材料的形狀;溶液的化學組成;化合物或合金的類別;復合材料和周圍材料。 預測材料達到臨界狀態(tài)的可能性的計算較復雜,因此民用和軍用核設施都需要專人監(jiān)控,以避免發(fā)生臨界反應。
臨界事故大致可分為兩類。
操作事故,操作中所有的預防措施都失效的時候就會發(fā)生。
反應堆事故,反應堆失去控制,達到臨界條件。根據(jù)反應的發(fā)展過程,可以把事故分為四個類型:
瞬間發(fā)生,迅速達到臨界條件的事故;
只在短時間達到臨界條件的事故;
潛在事故;
穩(wěn)定發(fā)展的事故。
臨界質(zhì)量(Critical mass)是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質(zhì)量。不同的可裂變材料,受核子的性質(zhì)(如裂變橫切面)、物理性質(zhì)、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(zhì)量。
剛好可以產(chǎn)生連鎖反應的組合,稱為已達臨界點。比這樣更多質(zhì)量的組合,核反應的速率會以指數(shù)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(fā)臨界,是超臨界的一種。即發(fā)臨界組合會產(chǎn)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。
恩里科·費米最先發(fā)現(xiàn)超臨界組合,不一定同時是超過即發(fā)臨界。他的發(fā)現(xiàn)開展了受控制的連鎖反應的研究,后來發(fā)展的核子反應堆及核能都是出于這一發(fā)現(xiàn)。
所謂超臨界水,是指當氣壓和溫度達到一定值時,因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時,水的液體和氣體便沒有區(qū)別,完全交融在一起,成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。安德...
超臨界水,是指當氣壓和溫度達到一定值時,因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時,水的液體和氣體便沒有區(qū)別,完全交融在一起,成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。安德里亞...
能夠以最少的物料到達臨界質(zhì)量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料,臨界質(zhì)量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。钚則為10公斤左右。
以下為普通球形,沒有中子反射之下的臨界質(zhì)量:
同位素 |
半衰期 (年) |
臨界質(zhì)量 (kg) |
臨界直徑 (cm) |
---|---|---|---|
钚-238 |
87.7 |
9.04–10.07 |
9.5–9.9 |
钚-239 |
24,110 |
10 |
9.9 |
钚-240 |
6561 |
40 |
15 |
钚-241 |
14.3 |
12 |
10.5 |
钚-242 |
375,000 |
75–100 |
19–21 |
鈾-233 |
159,200 |
15 |
11 |
鈾-235 |
704,000,000 |
52 |
17 |
锎-249 |
351 |
6 |
9 |
锎-251 |
290 |
5 |
8.5 |
锎-252 |
2.6 |
2.73 |
6.9 |
鋦-243 |
29.1 |
7.34–10 |
10–11 |
鋦-244 |
18.1 |
13.5–30 |
12.4–16 |
鋦-245 |
8500 |
9.41–12.3 |
11–12 |
鋦-246 |
4760 |
39–70.1 |
18–21 |
鋦-247 |
15,600,000 |
6.94–7.06 |
9.9 |
锫-247 |
1380 |
75.7 |
11.8-12.2 |
镅-241 |
432.2 |
55–77 |
20–23 |
镅-242 |
141 |
9–14 |
11–13 |
镅-243 |
7370 |
180–280 |
30–35 |
镎-236 |
154,000 |
7 |
8.7 |
镎-237 |
2,144,000 |
60 |
18 |
純度較低的鈾,臨界質(zhì)量會有所增加。例如20%的鈾-235,以4 cm厚的鈹反射中子臨界質(zhì)量達400公斤。若如果純度只為15%,臨界質(zhì)量更高達600公斤。
核武器
濃縮鈾
原子彈
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本文簡要的介紹了在超臨界/超超臨界鍋爐中廣泛應用的新型鐵素體耐熱鋼的發(fā)展歷程、分類,對如何控制新型鐵素體耐熱鋼焊接質(zhì)量進行了分析,并對新型鐵素體耐熱鋼焊接與傳統(tǒng)低合金耐熱鋼焊接的不同點.新型鐵素體耐熱鋼焊接的合格標準以及質(zhì)量檢驗的相關要求進行了描述。
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超臨界CO2制冷循環(huán)的應用與研究前景——本文研究了超臨界CO2制冷循環(huán)的工作原理及其在汽車空調(diào)、復雜式制冷循環(huán)和熱泵型供熱系統(tǒng)的應用,并對超臨界CO2制冷技術的發(fā)展前景、下一步研究的重點提出了自己的思考。
超臨界、超超臨界火電機組具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果,超超臨界機組與超臨界機組相比,熱效率要提高1.2%。未來火電建設將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界(SC)和超超臨界(USC)火電機組,它們在發(fā)達國家已得到廣泛的研究和應用。
超臨界火電技術由于參數(shù)本身的特點決定了超臨界鍋爐只能采用直流鍋爐,在超臨界鍋爐內(nèi)隨著壓力的提高,水的飽和溫度也隨之提高,汽化潛熱減少,水和汽的密度差也隨之減少。當壓力提高到臨界壓力(22.064Mpa)時,汽化潛熱為0,汽和水的密度差也等于零,水在該壓力下加熱到臨界溫度(373.99℃)時即全部汽化成蒸汽。超臨界壓力臨界壓力時情況相同,當水被加熱到相應壓力下的相變點(臨界溫度)時即全部汽化。因此超臨界壓力下水變成蒸汽不再存在汽水兩相區(qū),由此可知,超臨界壓力直流鍋爐由水變成過熱蒸汽經(jīng)歷了兩個階段即加熱和過熱,而工質(zhì)狀態(tài)由水逐漸變成過熱蒸汽。因此超臨界直流鍋爐沒有汽包,啟停速度快,與一般亞臨界汽包爐相比,超臨界直流鍋爐啟動到滿負荷運行,變負荷速度可提高1倍左右,變壓運行的超臨界直流鍋爐在亞臨界壓力范圍內(nèi)超臨界壓力范圍內(nèi)工作時,都存在工質(zhì)的熱膨脹現(xiàn)象,并且在亞臨界壓力范圍內(nèi)可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰;在超臨界壓力范圍內(nèi)可能出現(xiàn)類膜態(tài)沸騰。超臨界直流鍋爐要求的汽水品質(zhì)高,要求凝結(jié)水進行100%除鹽處理。由于超臨界直流鍋爐水冷壁的流動阻力全部依靠給水泵克服,所需的壓頭高,既提高了制造成本又增加了運行耗電量且直流鍋爐普遍存在著流動不穩(wěn)定性、熱偏差和脈動水動力問題。另外,為了達到較高的質(zhì)量流速,必須采用小管徑水冷壁,較相同容量的自然循環(huán)鍋爐超臨界直流鍋爐本體金屬耗量最少,鍋爐重量輕,但由于蒸汽參數(shù)高,要求的金屬等級高,其成本高于自然循環(huán)鍋爐。
超臨界流體應用
如超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,簡稱SFE)、超臨界水氧化技術、超臨界流體干燥、超臨界流體染色、超臨界流體制備超細微粒、超臨界流體色譜(supercritical fluid chromat ography)和超臨界流體中的化學反應等,但以超臨界流體萃取應用得最為廣泛。很多物質(zhì)都有超臨界流體區(qū),但由于CO2的臨界溫度比較低(31.06℃),臨界壓力也不高(7.38MPa),且無毒,無臭,無公害,所以在實際操作中常使用CO2超臨界流體。如用超臨界CO2從咖啡豆中除去咖啡因,從煙草中脫除尼古丁,從大豆或玉米胚芽中分離甘油酯,對花生油、棕櫚油、大豆油脫臭等。又例如從紅花中提取紅花甙及紅花醌甙(它們是治療高血壓和肝病的有效成分),從月見草中提取月見草油(它們對心血管病有良好的療效)等。使用超臨界技術的唯一缺點是涉及高壓系統(tǒng),大規(guī)模使用時其工藝過程和技術的要求高,設備費用也大。但由于它優(yōu)點甚多,仍受到重視。超臨界流體密度很大,具有溶解性能。在恒溫變壓或恒壓變溫時,體積變化很大,改變了溶解性能,故可用于提取某些物質(zhì),這種技術稱為超臨界流體萃取。
在超臨界水中,易溶有氧氣,可使氧化反應加快,可將不易分解的有機廢物快速氧化分解,是一種綠色的"焚化爐"。
由于超臨界流有密度大且粘稠度小的特點,可將天然氣轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)后在 管道中運送,這樣既可以節(jié)省動力,又可以增加運輸速率。
超臨界二氧化碳具有低粘稠度、高擴散性、易溶解多種物質(zhì)、且無毒無害,可用于清洗各種精密儀器,亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物,以及處理被污染的土壤。
超臨界二氧化碳可輕易穿過細菌的細胞壁,在其內(nèi)部引起劇烈的氧化反應,殺死細菌。
利用超臨界流體進行萃取.將萃取原料裝入萃取釜。采用二氧化碳做為超臨界溶劑。二氧化碳氣體經(jīng)熱交換器冷凝成液體,用加壓泵把壓力提升到工藝過程所需的壓力(應高于二氧化碳的臨界壓力),同時調(diào)節(jié)溫度,使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜底部進入,與被萃取物料充分接觸,選擇性溶解出所需的化學成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經(jīng)節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進入分離釜(又稱解析釜),由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質(zhì),自動分離成溶質(zhì)和二氧化碳氣體二部分,前者為過程產(chǎn)品,定期從分離釜底部放出,后者為循環(huán)二氧化碳氣體,經(jīng)過熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。整個分離過程是利用二氧化碳流體在超臨界狀態(tài)下對有機物有特異增加的溶解度,而低于臨界狀態(tài)下對有機物基本不溶解的特性,將二氧化碳流體不斷在萃取釜和分離釜間循環(huán),從而有效地將需要分離提取的組分從原料中分離出來。
超臨界水具有非常強的極性,可以溶解極性極低的芳烴化合物及各種氣體(氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳等),能夠促進擴散控制的反應速率,具有重要的工程意義。
通入有機廢物進行氧化反應,即超臨界水氧化法(supercritical water oxidation,SCWO)。其結(jié)果是有機廢物被完全氧化成二氧化碳、氮氣、水及可以從水中分離的無機鹽等無毒的小分子化合物,達到凈水的目的。