物理短文(核能和核电方面的)

【专家解说】：核裂变反应 重金属元素铀-235的原子核吸收一个中子后产生核反应，使这个重原子核分裂成两个(极少情况下会是3个)更轻的原子核以及2-3个自由中子，还有β和γ射线和中微子，并释放出巨大的能量，这一过程称为核裂变。 当中子轰击铀-235原子核时，一部分铀-235原子核吸收中子而发生裂变。如果铀-235核裂变产生的中子又去轰击另一个铀一235将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。这种链式裂变反应自己维持进行，或者维持自持链式裂变反应的条件(或状态)是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变。这种状态称为“临界状态”。 中子与铀-235核的自持链式反应可以由人来控制。目前最常用的控制方式是向产生链式反应的裂变物质(如铀-235)中放入或移出可以吸收中子的材料。正常工作时使裂变物质处于临界状态，维持稳定的链式裂变反应，因而保持稳定的核能释放.如需停止链式反应，就放入更多的吸收中子材料;如果要求释放更多的核能，可以移出一定的吸收中子材料。这种能维持和控制核裂变， 因而维持和控制核能- 热能转换的装置，叫反应堆。 1. 原子的组成 原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的，任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成。50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿，其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。 2. 原子核的结构 原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数(即原子序数)决定了这个原子属于何种元素，质子数和中子数之和称该原子的质量数。 3. 同位素 质子数P相同而中子数N不同的一些原子，或者说原子序数Z相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素”一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。 同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233)和轻同位素(如氢的同位素有氘、氚)。 4. 核能 在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2-3个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。 原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。 5. 轻核聚变 两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。 氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。 6.铀的特性及其能量的释放 铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成:除了0.71%的铀-235(235是质量数)、微量铀-234外，其余是铀-238，铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1克U-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。 7. 核能如何释放 核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。U-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2-3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。 如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是裂变链式反应，在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。 8. 核聚变能量的释放 与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂(Li-6)完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。 9. 核电站是清洁的能源 目前环境污染问题大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃烧会放出大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害气体造成的“温室效应“，将使地球气温升高，会造成气候异常，加速土地沙漠化过程，给社会经济的可持续发展带来灾难性的影响，核电站并不排放这些有害物质，不会造成“温室效应“，与火电厂相比，它能大大改善环境质量，保护人类赖以生存的生态环境等。 在国外核电站的周围有人居住、游泳、放牧牛羊、钓鱼，有的核电站位于大城市附近，有的位于游览区。核电站是安全、经济、干净的能源，与火电站相比，更有利于保护环境。 10.核电站是经济的能源 世界上有核电国家的多年统计资料表明，虽然核电站的比投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，以及燃料是长期起作用的因素，这就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。 11.核能是可持续发展的能源 世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技术，人类就将从根本上解决了能源问题。 裂变链式反应 以中子为媒介而维持的自持的裂变反应。例如235U核吸收一个中子后发生裂变，同时平均放出2~3个中子，除去损耗，如果还有一个中子能引起另一个235U核发生裂变，则可使裂变自持地进行下去。仅仅一个核裂变释放的能量只有3.4×10-11焦耳(J)，和通常所使用的能量相比是微不足道的。为了使核裂变能达到实际利用的程度，必须使大量的核发生裂变，这就必须维持裂变链式反应。在裂变反应中，中子有3种可能的归宿:引起裂变 ，被吸收和逸出核燃料。天然铀的主要成分是238U和235U，235U仅占0.71%。235U是很好的裂变燃料，任何能量的中子都可使它裂变，且对热中子有很大的裂变截面;而热中子不能引起238U裂变，238U吸收热中子可发生(n，γ)反应。中子被吸收和逸出核燃料属于损失。为了实现裂变链式反应，必须减小这两种损失，使得后一代裂变过程得到的中子数与前一代引起裂变的中子数的比值，即中子的增殖系数k≥1。