核能是什么

【專家解說】：核能即原子能，它是原子結構發(fā)生變化而釋放的能量。通常的化學反應，僅涉及原子與原子之間相互結合關系的變化，而原子核不發(fā)生變化。在原子核反應中，原子核的組成部分(中子和質子)的相互關系發(fā)生變化。由于這些粒子之間結合的緊密程度，遠遠大于原子間結合的緊密程度，因此核反應中的能量變化比化學反應大幾百萬倍。核能與化學能可做如下具體比較： 1公斤標準煤燃燒釋放能量29260焦爾 1公斤石油燃燒釋放能量418000焦爾 1公斤鈾－235裂變釋放能量685.5億焦爾 1公斤抗流混和物聚變釋放能量3385.8億焦爾 可用作能源的核反應，目前主要有重元素原子核(鈾－235、鈾－233、钚－239、釷)的裂變反應和輕元素(氘、氚)原子核的聚變反應兩大類。核裂變是1942年首次點火實現的，可控核聚變許多國家正在緊張的研究之中，至今尚未實現。所以說，可控核聚變被認為屬于下一世紀的能源。 1954年，世界上第一座核電站在原蘇聯建成，從而開創(chuàng)了人類和平利用核能的新紀元。據統(tǒng)計，到1989年底，在世界27個國家和地區(qū)中正在運行的核電反應堆達到434座，其中美國最多，有111座?，F在世界上正在建造的核電反應堆有90多座。目前，核電已占世界發(fā)電量的17％。我們生活的地球上，核能資源非常豐富，可作裂變燃料的鈾和可轉化為核燃料的鐵儲量很大，相當于化石燃料總能量的10萬倍以上。按照現在全世界能量消耗水平計算，可用上萬年以上。輕核聚變產生的能量更為驚人，在海水中的抗達1億噸，可供人類使用1000億年。 重原子核分裂，需要中子來引發(fā)。當中子跟重原子核碰撞并被吸收，重原子核就會立即分裂成兩片。這兩片其實是兩個輕的原子核。裂變反應同時釋放出中子和能量。新產生的中子跟其他原子核碰撞，引起新的裂變，這樣可形成鏈式反應。裂變反應釋放出的中子速度很高(每秒幾萬公里)稱快中子?？熘凶硬蝗菀滓鹆炎?，猶如高速子彈穿過物體，不能把物體打碎一樣，而較慢的子彈卻能把物體擊碎。要把快中子減慢下來，使它達到容易引起鈾－235裂變的速度(每秒幾公里)，需要采用慢化劑。常用的慢化劑有普通水、重水和石墨，相應的反應堆稱為水堆、重水堆和石墨堆。石墨堆和重水堆可用天然鈾作燃料，普通水堆由于吸收中子過多，不能用天然鈾，而必須用濃縮鈾作燃料。 核能(或稱原子能)是通過轉化其質量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=質量，c=光速常量。核能通過三種核反應之一釋放： 核裂變，打開原子核的結合力。 核聚變，原子的粒子熔合在一起。 核衰變，自然的慢得多的裂變形式。 核裂變，又稱核分裂是指由重的原子，主要是指鈾或鈈，分裂成較輕的原子的一種核反應形式。 原子彈以及裂變核電站的能量來源都是核裂變。 其中鈾裂變在核電廠最常見，加熱后鈾原子放出2到4個中子，中子再去撞擊其它原子，從而形成「鏈式反應」而自發(fā)裂變。撞擊時除放出中子還會放出熱，再加快撞擊，但如果溫度太高，反應爐會熔掉，因此通常會放控制棒（硼制成）去吸中子以降低分裂速度。 核聚變，又稱核融合。是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。 相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。 目前人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實現持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？茖W家正努力研究如何控制核聚變，但是現在看來還有很長的路要走。 在2005年，部份科學家相信已經成功做出小型的核聚變1，并且得到初步驗證2。首個實驗核聚變發(fā)電站將選址法國3。 目前主要的幾種可控核聚變方式： 超聲波核聚變 雷射約束（慣性約束）核聚變 磁約束核聚變（托卡馬克） 核衰變是放射性核素自發(fā)地釋放射線和能量，最終轉化為其他穩(wěn)定核素的過程。放射性核素在進行核衰變的時候，根據核素的性質可能放射出α射線、 β射線、γ射線以及俘獲電子等。 由於一個原子的衰變是自然地發(fā)生，即不能預知何時會發(fā)生，因此會以機會率來表示。每顆原子衰變的機率大致相同，做實驗的時候，會使用千千萬萬的原子。當原子開始發(fā)生衰變，其數量會越來越少，衰變的速度也會因而減慢。例如一種原子的半衰期為一小時，一小時后其未衰變的原子會剩下原來的二分一，兩小時后會是四分一，三小時后會是八分一。 原子的衰變會產生出另一種元素，并會放出阿爾法、貝塔粒子或中微子，在發(fā)生衰變后，該原子也會釋出伽馬射線。根據愛因斯坦的質能守恒公式E = mc2，衰變是其中一個把質量轉為能量的方式。通常衰變所產生的產物多也是帶放射性，因此會有一連串的衰變過程，直至該原子衰變至一穩(wěn)定的同位素。 發(fā)生核衰變的放射性核素有的是在自然界中出現的天然放射性同位素，如碳14，但其衰變只會經過一次β衰變轉為氮14原子，并不會一連串地發(fā)生。也有很多是經過粒子對撞等方法人工制造的核素。