摘 要
核能,一种不容忽视的新能源。很有可能,未来的能源主要依靠的是核能。核能是由原子核反应释放出来的能量,它包括核裂变能和核聚变能。自从1942年12月2日人类实现了第一次自持链式反应以来,核能技术得到了日新月异的发展。核能首先运用到军事上,1945年8月6日,美国在日本的广岛投下了一枚代号为“小男孩”的原子弹,8月9日在日本长崎投下另一枚代号“胖子”的原子弹。此后苏、英、法也相继研制出了原子弹、氢弹和中子弹。中国于1964年和1967年分别爆炸了第一颗原子弹和氢弹。在核能的和平利用方面,许多国家建成百万千瓦以上的核电站,其中,60%采用的是压水堆,正在建设的核电站中也有70%采用的是压水堆,压水堆已经成为一种成熟的反应堆。核能在医疗、农业、环境治理方面也得到了广泛的运用。核能的使用已经被许多国家列为国家重大科研项目。
[关键词]
核能 核裂变 核聚变
核电站
Abstract
Nuclear energy is one kind of new energy, which can't be ignored. In the future,
it is very possible that energy will depend on the nuclear energy mainly.
Nuclear energy, including nuclear fission energy and nuclear fusion energy, is
coming out by nuclear reaction. Since the first self-sustained chain reaction
was come true on December 2, 1942, the development of nuclear energy technology
changed rapidly. The nuclear energy was applied to the military affairs at
first. On August 6, 1945, U.S.A. threw down the atomic bomb named "little boy"
in Hiroshima of Japan, and threw down another one named "fat person" in Nagasaki
of Japan on August 9. The Soviet Union, Great Britain, France developed atomic
bomb, hydrogen bomb and neutron bomb subsequently. The first atomic and hydrogen
bomb of China was exploded in 1964 and 1967, respectively. In the case of
peaceful utilizing of nuclear energy, a lot of nuclear power stations above of a
million kilowatts were build by many countries. Among them, 60% PWR
(pressurized-water reactor) were adopted and 70% PWR being adopted now. PWR has
already become a kind of ripe reactor. Nuclear energy has been applied
extensively in medical treatment, agriculture and environmental improvement. The
use of the nuclear energy has already been classified as the national momentous
scientific research project in a lot of countries.
[Keywords]
nuclear energy nuclear fission nuclear
fusion
nuclear power
station
引
言
原子核反应分为裂变和聚变,在裂变或聚变反应中,物质反应前后的质量有少量的差异,根据爱因斯坦的质能方程,这少量的质量差异能转化为巨大的能量,从而开辟了一个新的时代
——
核能时代。
本文简单阐述了核能获取的相关理论和核能的运用,以及当今核技术的发展情况和对未来的展望。世界能源的供应问题要得到很好的解决,必须依靠太阳能和核聚变能,这是一般公认的事实。但在数十年内,这两类能源还不可能大规模应用。在过渡时期,将更多依靠火电、水电、核电。本文介绍了目前核聚变技术的发展状况以及我国聚变技术的现状。估计到本世纪中期,核聚变能够实现和平利用,这样长期困绕人类的能源问题就能得到彻底解决,所以对核聚变的研究意义是非常重大的。
核能的运用方面可以分为核能发电、军事、生活三个方面。1945年8月6日和9日,美国政府将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎,迫使日本帝国主义投降。这是人类对核能的第一次利用。1954年6月27日,前苏联建成了世界上第一座原子能发电站,尽管它只有5000千瓦的发电功率,但它揭开了人类和平利用核能的新纪元,它的建成标志着人类第二次能源革命的开始。核能发电作为一种新能源,受到了世界各国的重视。现在,核能在医学、淡化海水、食品保鲜、环境治理、消毒等方面的也得到了日益广泛的应用。
核能
1.1结合能
自然界的物质都是由原子组成的。原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的电子组成。原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。在正常情况下,原子核内部的质子数和核外的电子数是相等的。所以整个原子是呈电中性的。
原子核之间存在比静电斥力大得多的核力,而这种核力只有当核子间相互接近到米距离以内时才显现出来。由于核力将核子聚集在一起,所以要把一个核分解成单个的中子或质子时必须反对核力做功,为此所需的能量叫做核的结合能。它也就是单个核子结合成一个核时所能释放的能量。如果要把原子核内部的核子一个一个地拉开,那么就得消耗与核结合能相等的能量,反之核子结合在一起就会放出同等数量的能量。
根据爱因斯坦的质能方程:
其中,为反应前后变化的能量,为反应前后变化的质量,c为光速,。通常,用电子伏(eV)来表示粒子的能量。1eV表示一个电子经过1V的电位差电场作用时获得的能量。我们可以算出:
1原子质量单位=931.2MeV
以氦原子()为例,它是由两个中子、两个质子和两个电子组成。组成氦原子的两个质子两个中子和两个电子的质量总和是4.03298原子质量单位,而原子质量的实测值是4.0028原子质量单位,这比氦原子的实际质量多0.03018原子质量单位。这样的称为质量亏损,有这一值就可以算出氦核的结合能:
=0.03018931.228.1MeV
称为核的总结合能。而每个核子的平均结合能等于总结合能除以核内的核子数,我们用已知的数据可以算出所有同位素的每个核子的平均结合能,其结果如下图所示:
从图中可以看出轻核和重核的平均结合能都要比中等质量核的平均结合能小,如果能使两个轻核聚合成一个中等质量核或者一个重核分裂成两个中等质量核,那么就有能量放出,这种能量就是核聚变能或核裂变能。
1.2核裂变
在自然界中,原子序数很高的某些元素,如铀、钍、镭等,它们的核很不稳定,自发的放出射线,变为另一种元素的原子核,这种现象称为放射性衰变,在这里由于篇幅的关系就不作详细叙述。
1938年底哈恩(H.Hahn)和史特拉斯蔓(F.Strassmann)在前人实验的基础上进行了铀被中子撞击的实验,发现有钡(Z=65)的产生。他们提出铀核发生了裂变,分裂为两个不同的原子核。这个看法很快被有关科学工作者所公认,接着对裂变的研究很快开展起来,发现和裂变的情况不同,前者需要1.1MeV以上的快中子打击才能发生裂变;后者只要很慢的中子(热中子)就可以发生裂变,而且效率比快中子还要高。
裂变的过程是被打击的原子核先吸收中子,形成复核,然后裂开,下式表示裂变的情况:
其中X和Y代表裂开的二碎块,往往质量不相等,分布在一个较宽的范围,其分布图如下:
其中最高几率出现在A=96和A=140左右。碎块中含有的中子数过多,是不稳定的,所以裂开后,即刻放出几个中子,每次平均放出2.5个,大约有99.2%的中子在秒内放出。除放出中子外,碎块往往以衰变方式连续衰变到稳定核为止。
裂变能释放很大的能量。我们从稳定核的结合能作一个估计,可算出在A=236附近,每个核子的平均结合能是7.6MeV,在A=118附近每个核子的平均结合能是8.5MeV。根据这些数据,对裂变为质量相等的两个原子核并达到稳定状态一共放出多大的能量可以作一个估计:
上面我们只是假设了裂变为质量相等的两碎片(实际上裂变为两质量相等的两碎片的几率是很小的),计算得出释放的能量大约是210Mev,实际上铀核裂变生成的两个新核不管是什么,其释放出来的能量大约是200Mev,而且这些能量主要是裂变碎片的动能形式转化为热能。根据实验测定,一个铀核分裂的能量分配大致如下:
裂变碎片的动能
168MeV
裂变中子的能量
5MeV
瞬发γ射线的能量
5MeV
从裂变产物中放出的β射线的能量
7MeV
从裂变产物中放出的γ射线的能量
6MeV
中微子能量
10MeV
总和
201MeV
设有一克全部裂变,那么释放出来的全部能量,按上述数值合算,就有的能量,相当于2.5吨煤的燃烧热。所以裂变能是相当大的,如果我们能把它利用起来,这将为人类解决很大一部分能源问题。
但是,这是实验获取的裂变能。我们怎样才能将核裂变能利用起来呢?前面说到每次裂变时平均放出2.5个中子,这些中子被附近的铀核吸收,又发生裂变,产生第二代中子,第二代中子又被铀核吸收、裂变产生第三代中子,以此类推。如果中子没有损失或者损失很少,这样的反应连续进行下去,反应可能逐渐增强,成为爆炸性的。在裂变链式反应中释放出来的能量是目前能够利用的原子能的来源。关于裂变链式反应能量的利用有两种:原子反应堆和原子弹。
原子反应堆是把铀和其他材料按一定的设计装置起来,使其发生裂变的链式反应,从而获得能量,这样的装置称为原子反应堆。核电站就是利用原子反应堆来发电的。
原子弹是把纯(或)集合在一起,裂变出来的快中子激发链式反应。由于原子弹没有减速剂,所以原子弹发生的链式反应在很短的时间内进行,于是发生爆炸。
1.3核聚变
除了裂变可以获取核能之外,还有一种获取核能的方法——核聚变。前面已经提到过,轻核聚合成中等质量核(聚变)和重核分裂成中等质量核(裂变)的过程都要释放能量。下面我们看几个聚变的反应: