超臨界質(zhì)量相關(guān)條目

• 核武器

• 濃縮鈾

• 原子彈

臨界事故（英語：criticality accident）是核反應(yīng)堆發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)導(dǎo)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?zhǔn)椒磻?yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)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(dá)不到原子彈的設(shè)計條件，因此一般不會引發(fā)核爆炸。核反應(yīng)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(yīng)停止。在原子能的發(fā)展歷程中，在反應(yīng)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(dǎo)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。

超臨界質(zhì)量事故原因

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(dá)到臨界點（即是否發(fā)生臨界反應(yīng)）的因素包括：同位素的比例；材料的形狀；溶液的化學(xué)組成；化合物或合金的類別；復(fù)合材料和周圍材料。 預(yù)測材料達(dá)到臨界狀態(tài)的可能性的計算較復(fù)雜，因此民用和軍用核設(shè)施都需要專人監(jiān)控，以避免發(fā)生臨界反應(yīng)。

超臨界質(zhì)量事故類型

臨界事故大致可分為兩類。

1. 操作事故，操作中所有的預(yù)防措施都失效的時候就會發(fā)生。

2. 反應(yīng)堆事故，反應(yīng)堆失去控制，達(dá)到臨界條件。根據(jù)反應(yīng)的發(fā)展過程，可以把事故分為四個類型：

1. 瞬間發(fā)生，迅速達(dá)到臨界條件的事故；

2. 只在短時間達(dá)到臨界條件的事故；

3. 潛在事故；

4. 穩(wěn)定發(fā)展的事故。

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(shè)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(shè)計稱為“內(nèi)爆式”。

能夠以最少的物料到達(dá)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：

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(dá)400公斤。若如果純度只為15%，臨界質(zhì)量更高達(dá)600公斤。

臨界質(zhì)量（Critical mass）是指維持核子連鎖反應(yīng)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(yīng)的組合，稱為已達(dá)臨界點。比這樣更多質(zhì)量的組合，核反應(yīng)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(jìn)行連鎖反應(yīng)，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(yīng)的研究，后來發(fā)展的核子反應(yīng)堆及核能都是出于這一發(fā)現(xiàn)。

超臨界、超超臨界火電機(jī)組具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果，超超臨界機(jī)組與超臨界機(jī)組相比，熱效率要提高1.2%。未來火電建設(shè)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(jī)組，它們在發(fā)達(dá)國家已得到廣泛的研究和應(yīng)用。

超臨界火電技術(shù)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(dāng)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(dāng)水被加熱到相應(yīng)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(fù)荷運行，變負(fù)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(jìn)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(dá)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。