物理知識(shí)點(diǎn)

【專家解說】：核能是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，著名科學(xué)家費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家，在美國芝加哥大學(xué)啟動(dòng)成功了世界上第一座核反應(yīng)堆，標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了核能時(shí)代。在這以前人類利用的能源，只涉及到物理變化和化學(xué)變化，當(dāng)核能進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活后，一種通過原子核變化而產(chǎn)生的新能源從此誕生。 第一座反應(yīng)堆首次啟動(dòng)時(shí)，功率僅為0.5瓦。60年后，核能已占全世界總能耗的6%。國際原子能機(jī)構(gòu)公布，截至2002年底，全世界共有441臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行，2002年共生產(chǎn)電力2.574萬億千瓦小時(shí)，約占當(dāng)年世界總發(fā)電量的17%。其中，核發(fā)電量占本國總發(fā)電量比例最高的國家是立陶宛，達(dá)到80%，其次是法國，達(dá)到79%。 當(dāng)前，世界上的主要能源是煤、石油、天然氣這些化石燃料，化石燃料不是可再生能源，用掉一點(diǎn)兒就少一點(diǎn)兒。燃燒化石燃料向大氣排放大量的“溫室氣體”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的煙塵，這些有害的物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。核能不產(chǎn)生這些有害物質(zhì)。1987年，世界衛(wèi)生組織總干事布倫特蘭領(lǐng)導(dǎo)的世界環(huán)境和發(fā)展委員會(huì)提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念，就是“既滿足當(dāng)代人的需求，又不危及后代人滿足其需求的發(fā)展”。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，人類迫切地需要新的替代能源。目前唯一達(dá)到工業(yè)應(yīng)用、可以大規(guī)模替代化石燃料的能源，就是核能。 核能分為核裂變能和核聚變能兩種。核裂變能是通過一些重原子核發(fā)生“鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”釋放出的能量，核聚變能是由兩個(gè)輕原子核結(jié)合在一起釋放出的能量。迄今達(dá)到工業(yè)應(yīng)用規(guī)模的核能只有核裂變能。核聚變又叫“熱核反應(yīng)”。氫的同位素氘(H，重氫)是主要的核聚變材料。氘以重水的形式存在于海水中。氘的含量占?xì)涞?.015%。1升海水中的氘通過核聚變釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放出的能量。全世界海水中所含的氘通過核聚變釋放的聚變能，可供人類在很高的消費(fèi)水平下使用50億年。2002年12月2日，我國新一代受控核聚變研究裝置---核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號(hào)A裝置建成并舉行開機(jī)儀式，為我國進(jìn)一步參與核聚變研究的國際合作創(chuàng)造了條件。 核能問世的準(zhǔn)備時(shí)期，可以追溯到19世紀(jì)末至20世紀(jì)初。19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙。1902年，她經(jīng)過4年的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳。1905年，愛因斯坦提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mC2(C為光速，E為能量，m為轉(zhuǎn)換成能量的質(zhì)量)。1914年，英國物理學(xué)家盧瑟福通過實(shí)驗(yàn)，確定氫原子核是一個(gè)正電荷單元，稱為質(zhì)子。1932年，英國物理學(xué)家查得威克發(fā)現(xiàn)了中子。1938年，德國科學(xué)家奧托?哈恩和他的助手斯特拉斯曼用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。 有些元素可以自發(fā)地放出射線，這些元素叫做放射性元素。放射性元素可以放出三種看不見的射線。一種是α射線，就是氦原子核。一種是β射線，就是高速電子。一種是γ射線，就是高能光線。其中γ射線的穿透能力最強(qiáng)。 當(dāng)中子撞擊鈾原子核時(shí)，一個(gè)鈾核吸收了一個(gè)中子而分裂成兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換，放出很大的能量，并產(chǎn)生2個(gè)或3個(gè)中子，這就是舉世聞名的核裂變反應(yīng)。 在一定的條件下，新產(chǎn)生的中子會(huì)繼續(xù)引起更多的鈾原子核裂變，這樣一代代傳下去，像鏈條一樣環(huán)環(huán)相扣，所以科學(xué)家將其命名為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。1946年，在法國居里實(shí)驗(yàn)室工作的我國科學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)了鈾原子核的“三裂變”、“四裂變”現(xiàn)象。 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)釋放出巨大的核能，1千克鈾-235裂變釋放出的能量，相當(dāng)于2500噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。只有鈾-233、鈾-235和钚-239這三種核素可以由能量為0.025電子伏的熱中子引起核裂變。它們都是核燃料，其中只有鈾-235是天然存在的，而鈾-233、钚-239是在反應(yīng)堆中人工生產(chǎn)出來的。鈾-235在天然鈾中的含量?jī)H為0.7%。 反應(yīng)堆是通過受控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將核能緩慢地釋放出來的裝置，是和平利用核能的最主要的設(shè)施。反應(yīng)堆的種類繁多，一般是根據(jù)用途分為動(dòng)力堆、生產(chǎn)堆和研究堆。動(dòng)力堆是利用核裂變釋放的能量來產(chǎn)生動(dòng)力，進(jìn)行發(fā)電、供熱、推動(dòng)船艦等。生產(chǎn)堆是利用中子生產(chǎn)新的核燃料。研究堆是利用中子進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的研究。 為了實(shí)現(xiàn)核能的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)前世界許多國家的核科學(xué)家正在研究與發(fā)展先進(jìn)的核反應(yīng)堆，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。我國“863”計(jì)劃正在研發(fā)兩種先進(jìn)反應(yīng)堆。一種是由清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。高溫氣冷堆具有安全性好(不會(huì)對(duì)廠外公眾造成危害)、發(fā)電效率高(蒸汽發(fā)電效率38%~40%，氦氣透平發(fā)電45%~47%)、用途廣(可進(jìn)行煤的汽化和液化、制氫等)的優(yōu)點(diǎn)。該反應(yīng)堆已于2003年1月29日達(dá)到滿功率并網(wǎng)發(fā)電。另一種是由中國原子能科學(xué)研究院承擔(dān)的中國實(shí)驗(yàn)快堆?？熘凶臃磻?yīng)堆的主要優(yōu)點(diǎn)是可大大提高鈾資源的利用率，從目前輕水堆的1%左右提高到60%至70%。該反應(yīng)堆正在建造，其主廠房已于2002年8月15日封頂。