物理短文(核能和核電方面的)

【專家解說】：核裂變反應(yīng) 重金屬元素鈾-235的原子核吸收一個(gè)中子后產(chǎn)生核反應(yīng)，使這個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)(極少情況下會(huì)是3個(gè))更輕的原子核以及2-3個(gè)自由中子，還有β和γ射線和中微子，并釋放出巨大的能量，這一過程稱為核裂變。 當(dāng)中子轟擊鈾-235原子核時(shí)，一部分鈾-235原子核吸收中子而發(fā)生裂變。如果鈾-235核裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另一個(gè)鈾一235將再引起新的裂變，如此不斷地持續(xù)進(jìn)行下去，就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這種鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)自己維持進(jìn)行，或者維持自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的條件(或狀態(tài))是至少有一個(gè)中子而且不多于一個(gè)中子從每一次裂變到達(dá)另一次裂變。這種狀態(tài)稱為“臨界狀態(tài)”。 中子與鈾-235核的自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以由人來控制。目前最常用的控制方式是向產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變物質(zhì)(如鈾-235)中放入或移出可以吸收中子的材料。正常工作時(shí)使裂變物質(zhì)處于臨界狀態(tài)，維持穩(wěn)定的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，因而保持穩(wěn)定的核能釋放.如需停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就放入更多的吸收中子材料;如果要求釋放更多的核能，可以移出一定的吸收中子材料。這種能維持和控制核裂變， 因而維持和控制核能- 熱能轉(zhuǎn)換的裝置，叫反應(yīng)堆。 1. 原子的組成 原子是由質(zhì)子、中子和電子組成的。世界上一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，任何原子都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。一個(gè)鈾-235原子有92個(gè)電子，其原子核由92個(gè)質(zhì)子和143個(gè)中子組成。50萬個(gè)原子排列起來相當(dāng)一根頭發(fā)的直徑。如果把原子比作一個(gè)巨大的宮殿，其原子核的大小只是一顆黃豆,而電子相當(dāng)于一根大頭針的針尖。一座100萬千瓦的火電廠，每年要燒掉約330萬噸煤，要用許多列火車來運(yùn)輸。而同樣容量的核電站一年只用30噸燃料。 2. 原子核的結(jié)構(gòu) 原子核一般是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，最簡單的氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子，原子核中的質(zhì)子數(shù)(即原子序數(shù))決定了這個(gè)原子屬于何種元素，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱該原子的質(zhì)量數(shù)。 3. 同位素 質(zhì)子數(shù)P相同而中子數(shù)N不同的一些原子，或者說原子序數(shù)Z相同而原子質(zhì)量數(shù)不同的一些原子，它們在化學(xué)元素周期表上占據(jù)同一個(gè)位置，稱為同位素。所以，“同位素”一詞用來確指某個(gè)元素的各種原子，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)。 同位素按其質(zhì)量不同通常分為重同位素(如鈾-238、鈾-235、鈾-234和鈾-233)和輕同位素(如氫的同位素有氘、氚)。 4. 核能 在50多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈾-235原子核在吸收一個(gè)中子以后能分裂，同時(shí)放出2-3個(gè)中子和大量的能量，放出的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放出的能量大得多，這就是核裂變能，也就是我們所說的核能。 原子彈就是利用原子核裂變放出的能量起殺傷破壞作用，而核電反應(yīng)堆也是利用這一原理獲取能量，所不同的是，它是可以控制的。 5. 輕核聚變 兩個(gè)較輕的原子核聚合成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)放出巨大的能量，這種反應(yīng)叫輕核聚變反應(yīng)。它是取得核能的重要途徑之一。在太陽等恒星內(nèi)部，因壓力、溫度極高，輕核才有足夠的動(dòng)能去克服靜電斥力而發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反應(yīng)必須在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，故稱為“熱核聚變反應(yīng)”。 氫彈是利用氘氚原子核的聚變反應(yīng)瞬間釋放巨大能量起殺傷破壞作用，正在研究受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置也是應(yīng)用這一基本原理，它與氫彈的最大不同是，其釋放能量是可以被控制的。 6.鈾的特性及其能量的釋放 鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素，天然鈾由幾種同位素構(gòu)成:除了0.71%的鈾-235(235是質(zhì)量數(shù))、微量鈾-234外，其余是鈾-238，鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。也就是說1克U-235完全裂變釋放的能量相當(dāng)于2噸半優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)所釋放的能量。 7. 核能如何釋放 核能的獲得主要有兩種途徑，即重核裂變與輕核聚變。U-235，有一個(gè)特性，即當(dāng)一個(gè)中子轟擊它的原子核時(shí)，它能分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)產(chǎn)生2-3個(gè)中子和β、γ等射線，并釋放出約200兆電子伏特的能量。 如果有一個(gè)新產(chǎn)生的中子，再去轟擊另一個(gè)鈾-235原子核，便引起新的裂變，以此類推，這樣就使裂變反應(yīng)不斷地持續(xù)下去，這就是裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，核能就連續(xù)不斷地釋放出來。 8. 核聚變能量的釋放 與鈾相同數(shù)量的輕核聚變時(shí)放出的能量要比鈾大幾倍。例如1克氘化鋰(Li-6)完全反應(yīng)所產(chǎn)生的能量約為1克鈾-235裂變能量的三倍多。實(shí)現(xiàn)核聚變的條件十分苛刻，即需要使氫核處于幾千萬度以上高溫才能使相當(dāng)?shù)暮司哂袆?dòng)能實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)。 9. 核電站是清潔的能源 目前環(huán)境污染問題大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃燒會(huì)放出大量的煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害氣體造成的“溫室效應(yīng)“，將使地球氣溫升高，會(huì)造成氣候異常，加速土地沙漠化過程，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來災(zāi)難性的影響，核電站并不排放這些有害物質(zhì)，不會(huì)造成“溫室效應(yīng)“，與火電廠相比，它能大大改善環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境等。 在國外核電站的周圍有人居住、游泳、放牧牛羊、釣魚，有的核電站位于大城市附近，有的位于游覽區(qū)。核電站是安全、經(jīng)濟(jì)、干凈的能源，與火電站相比，更有利于保護(hù)環(huán)境。 10.核電站是經(jīng)濟(jì)的能源 世界上有核電國家的多年統(tǒng)計(jì)資料表明，雖然核電站的比投資高于燃煤電廠，但是，由于核燃料成本顯著地低于燃煤成本，以及燃料是長期起作用的因素，這就使得目前核電站的總發(fā)電成本低于燒煤電廠。 11.核能是可持續(xù)發(fā)展的能源 世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬噸，釷儲(chǔ)量約275萬噸。這些裂變?nèi)剂献銐蚴褂玫骄圩兡軙r(shí)代。聚變?nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.034克/升，據(jù)估計(jì)地球上總的水量約為138億億立方米，其中氘的儲(chǔ)量約40萬億噸，地球上的鋰儲(chǔ)量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時(shí)代使用。按目前世界能源消費(fèi)的水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。因此，有些能源專家認(rèn)為，只要解決了核聚變技術(shù)，人類就將從根本上解決了能源問題。 裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 以中子為媒介而維持的自持的裂變反應(yīng)。例如235U核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，同時(shí)平均放出2~3個(gè)中子，除去損耗，如果還有一個(gè)中子能引起另一個(gè)235U核發(fā)生裂變，則可使裂變自持地進(jìn)行下去。僅僅一個(gè)核裂變釋放的能量只有3.4×10-11焦耳(J)，和通常所使用的能量相比是微不足道的。為了使核裂變能達(dá)到實(shí)際利用的程度，必須使大量的核發(fā)生裂變，這就必須維持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在裂變反應(yīng)中，中子有3種可能的歸宿:引起裂變 ，被吸收和逸出核燃料。天然鈾的主要成分是238U和235U，235U僅占0.71%。235U是很好的裂變?nèi)剂?，任何能量的中子都可使它裂變，且對熱中子有很大的裂變截?而熱中子不能引起238U裂變，238U吸收熱中子可發(fā)生(n，γ)反應(yīng)。中子被吸收和逸出核燃料屬于損失。為了實(shí)現(xiàn)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須減小這兩種損失，使得后一代裂變過程得到的中子數(shù)與前一代引起裂變的中子數(shù)的比值，即中子的增殖系數(shù)k≥1。