如何獲取核裂變的能量

【專(zhuān)家解說(shuō)】：　　原子核裂變能 　?、偈侵卦雍肆炎兯尫诺哪芰俊＠弥凶蛹ぐl(fā)所引起的核裂變，是人類(lèi)迄今為止大量釋放原子能的主要形式。 　?、诤肆炎?nèi)剂希禾烊淮嬖诘模衡?235；人工制備的：鈾-233、钚-239。 　?、墼雍肆炎兡芎推嚼玫年P(guān)鍵是可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的實(shí)現(xiàn)。 　　④兩種堆型：熱中子（慢中子）反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆。熱中子反應(yīng)堆的核燃料是鈾-235，裂變過(guò)程中，必須在反應(yīng)堆里加入慢化劑，使裂變反應(yīng)釋放的中子（快中子）得到慢化。 　　核反應(yīng)堆 　?。ê耍┓磻?yīng)堆 (nuclear) reactor 能維持可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的裝置。 　　注釋?zhuān)焊鼜V泛的意義上講，反應(yīng)堆這一術(shù)語(yǔ)應(yīng)覆蓋裂變堆、聚變堆、裂變聚變混合堆，但一般情況下僅指裂變堆。 　　核反應(yīng)堆，又稱(chēng)為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。 　　核反應(yīng)堆有哪幾種類(lèi)型 　　根據(jù)用途，核反應(yīng)堆可以分為以下幾種類(lèi)型①將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等。②生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆。③生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱(chēng)為生產(chǎn)堆。④提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應(yīng)堆，比如多目的堆。⑤為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱(chēng)為發(fā)電堆。⑥用于推進(jìn)船舶、飛機(jī)、火箭等到的核反應(yīng)堆，稱(chēng)為推進(jìn)堆。 　　另外，核反應(yīng)堆根據(jù)燃料類(lèi)型分為天然氣鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆；根據(jù)中子能量分為快中子堆和熱中子堆；根據(jù)冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆、氣冷堆、有機(jī)液冷堆、液態(tài)金屬冷堆；根據(jù)慢化劑(減速劑)分 為石墨堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、有機(jī)堆、熔鹽堆、鈹堆；根據(jù)中子通量分為高通量堆和一般能量堆；根據(jù)熱工狀態(tài)分為沸騰堆、非沸騰堆、壓水堆；根據(jù)運(yùn)行方式分為脈沖堆和穩(wěn)態(tài)堆，等等。核反應(yīng)堆概念上可有900多種設(shè)計(jì)，但現(xiàn)實(shí)上非常有限。 　　核反應(yīng)堆的工作原理是什么? 　　核反應(yīng)堆是核電站的心臟，它的工作原理是這樣的： 　　原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來(lái)中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2—3個(gè)中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過(guò)熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍耍珶彷d體。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)?，高速中子?huì)大量飛散，這就需要使中子減速增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料＋慢化劑＋熱載體＋控制設(shè)施＋防護(hù)裝置。 　　還需要說(shuō)明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過(guò)精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒才能參與反應(yīng)堆工作。 　　核反應(yīng)堆具有哪些用途? 　　核裂變時(shí)既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應(yīng)堆有許多用途，但歸結(jié)起來(lái)，-是利用裂變核能，二是利用裂變中子。 　　核能主要用于發(fā)電，但它在其它方面也有廣泛的應(yīng)用。例如核能供熱、核動(dòng)力等。 　　核能供熱是廿世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，這是一種經(jīng)濟(jì)、安全、清潔的熱源，因而在世界上受到廣泛重視。在能源結(jié)構(gòu)上，用于低溫(如供暖等) 的熱源，占總熱耗量的一半左右，這部分熱多由直接燃煤取得，因而給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，近70%的能量是以熱能形式消耗的，而其中約 60%是120℃以下的低溫?zé)崮?，所以發(fā)展核反應(yīng)堆低溫供熱，對(duì)緩解供應(yīng)和運(yùn)輸緊張、凈化環(huán)境、減少污染等方面都有十分重要的意義。核供熱是一種前途遠(yuǎn)大的核能利用方式。核供熱不僅可用于居民冬季采暖，也可用于工業(yè)供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫?zé)嵩?，能用于煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業(yè)。核能既然可以用來(lái)供熱、也一定可以用來(lái)制冷。清華大學(xué)在五兆瓦的低溫供熱堆上已經(jīng)進(jìn)行過(guò)成功的試驗(yàn)。核供熱的另一個(gè)潛在的大用途是海水淡化。在各種海水淡化方案中，采用核供熱是經(jīng)濟(jì)性最好的一種。在中東、北非地區(qū)，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。 　　核能又是一種具有獨(dú)特優(yōu)越性的動(dòng)力。因?yàn)樗恍枰諝庵迹勺鳛榈叵?、水中和太空缺乏空氣環(huán)境下的特殊動(dòng)力；又由于它少耗料、高能量，是一種一次裝料后可以長(zhǎng)時(shí)間供能的特殊動(dòng)力。例如，它可作為火箭、宇宙飛船、人造衛(wèi)星、潛艇、航空母艦等的特殊動(dòng)力。將來(lái)核動(dòng)力可能會(huì)用于星際航行。現(xiàn)在人類(lèi)進(jìn)行的太空探索，還局限于太陽(yáng)系，故飛行器所需能量不大，用太陽(yáng)能電池就可以了。如要到太陽(yáng)系外其他星系探索，核動(dòng)力恐怕是唯一的選擇。美、俄等國(guó)-直在從事核動(dòng)力衛(wèi)星的研究開(kāi)發(fā)，旨在把發(fā)電能力達(dá)上百千瓦的發(fā)電設(shè)備裝在衛(wèi)星上。由于有了大功率電源，衛(wèi)星在通訊、軍事等方面的威力將大大增強(qiáng)。1997年10月15 日美國(guó)宇航局發(fā)射的“卡西尼”號(hào)核動(dòng)力空間探測(cè)飛船，它要飛往土星，歷時(shí)7年，行程長(zhǎng)達(dá)35億公里漫長(zhǎng)的旅途。 　　核動(dòng)力推進(jìn)，目前主要用于核潛艇、核航空母艦和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，這在軍事上有很大優(yōu)越性。尤其是核裂變能的產(chǎn)生不需要氧氣，故核潛艇可在水下長(zhǎng)時(shí)間航行。正因?yàn)楹藙?dòng)力推進(jìn)有如此大的優(yōu)越性，故幾十年來(lái)全世界己制造的用于艦船推進(jìn)的核反應(yīng)堆數(shù)目已達(dá)數(shù)百座、超過(guò)了核電站中的反應(yīng)堆數(shù)目(當(dāng)然其功率遠(yuǎn)小于核電站反應(yīng)堆)?，F(xiàn)在核航空母艦、核驅(qū)逐艦、核巡洋艦與核潛艇一起，已形成了一支強(qiáng)大的海上核力量。 　　核反應(yīng)堆的第二大用途就是利用鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中放出的大量中子。這方面的用途是非常多的，我們這里僅舉少量幾個(gè)例子。我們知道，許多穩(wěn)定的元素的原子核如果再吸收一個(gè)中子就會(huì)變成一種放射性同位素。因此反應(yīng)堆可用來(lái)大量生產(chǎn)各種放射性同位素。放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)上的廣泛用途現(xiàn)在幾乎是盡人皆知的了。還有，現(xiàn)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研中經(jīng)常需用一種帶有極微小孔洞的薄膜，用來(lái)過(guò)濾、去除溶液中的極細(xì)小的雜質(zhì)或細(xì)菌之類(lèi)。在反應(yīng)堆中用中子轟擊薄膜材料可以生成極微小的孔洞，達(dá)到上述技術(shù)要求。利用反應(yīng)堆中的中子還可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體材料。我們知道在單晶硅中必須摻入少量其他材料，才能變成半導(dǎo)體，例如摻入磷元素。一般是采用擴(kuò)散方法，在爐子里讓磷蒸汽通過(guò)硅片表面滲進(jìn)去。但這樣做效果不是太理想，硅中磷的濃度不均勻，表面濃度高里面濃變低。現(xiàn)在可采用中子摻雜技術(shù)。把單晶硅放在反應(yīng)堆里受中子輻照，硅俘獲一個(gè)中子后，經(jīng)衰變后就變成了磷。由于中子不帶電、很容易進(jìn)入硅片的內(nèi)部，故這種辦法生產(chǎn)的硅半導(dǎo)體性質(zhì)優(yōu)良。利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子可以治療癌癥。因?yàn)樵S多癌組織對(duì)于硼元素有較多的吸收，而且硼又有很強(qiáng)的吸收中子能力。硼被癌組織吸收后，經(jīng)中子照射，硼會(huì)變成鋰并放出α射線。α射線可以有效殺死癌細(xì)胞，治療效果要比從外部用γ射線照射好得多。反應(yīng)堆里的中子還可用于中子照相或者說(shuō)中子成像。中子易于被輕物質(zhì)散射，故中子照相用于檢查輕物質(zhì)(例如炸藥、毒品等)特別有效，如果用χ光或超聲成像則檢查不出來(lái)。 　　總之，由于反應(yīng)堆是一個(gè)巨大的中子源，因此是進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究的一種有效工具。目前其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，而且其應(yīng)用潛力也很大，有待人們的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。