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临界性：裂变链式反应如何增长或熄灭
按代跟踪中子数量在三种倍增系数 k 下的变化，理解“临界”的真正含义。
目标
定义中子倍增系数 k，预测任意 k 下链式反应的长期走向，并把 k 与反应堆控制联系起来。
仪器与试剂
建模为每代中子数乘以 k 的 可裂变样品。
步骤
- 从 k = 0.80 开始沿曲线观察：数一数种群降到不足一个中子需要多少代。
- 切换到 k = 1.00：种群水平不变。这就是受控反应堆——每次裂变恰好引发下一次裂变。
- 切换到 k = 1.25，读取第 5、10 代的标记；外推到第 45 代会发生什么。
- 估计真实一代的时长（瞬发中子约 10⁻⁸ s），思考为何没有工程反馈时超临界失控无法控制。
观察要点
- k < 1 呈几何衰减（）：无论样品多大，链式反应都会自行熄灭。
- k = 1 恰好保持种群恒定；即使 k = 1.01 也会无限增长——临界如履薄冰。
- k = 1.25 时 45 代后中子数约放大 25000 倍——真实时间尺度只是几微秒。
讲解
中子诱发的 裂变产生两个碎片和平均 2.4 个中子。链式反应能否延续取决于 k——一次裂变产生的中子中平均能引发下一次裂变的数目：有的逃出样品，有的被 或慢化剂俘获。燃料浓缩、几何形状（临界质量）以及控制棒吸收多余中子都在调节 k。反应堆中缓发中子（约占产额 0.7%）拉长了有效代时间，这正是 k ≈ 1 能够被控制的原因。
相关化学家
虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型，不能替代真实实验和安全培训；没有指导请勿在家自行重复。