核能知识纵览.pdf

核能知识 来源： 2013-01-04 06:42:28 1 原子及原子核 世界上的一切物质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。原子核包括质子和中子，质 子数决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。如一个铀-235 原子是由原子核（由 92 个质子和 143 个中子组成）和 92 个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球，那么原子核就相当于 一个乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。 2 同位素 质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子被称为同位素，它们在化学元素周 期表上占据同一个位置。简单的说同位素就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。按质量不同 通常可以分为重同位素和轻同位素。 3 铀的同位素 铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238 和铀-235 ，它们所占的比例分别为99.3% 和 0.7%。除此之外，自然界中还有微量的铀-234。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。 4 核能及其获取途径 核能，是核裂变能的简称。50 多年以前，科学家在第一次试验中发现铀-235 原子核在吸收一个中子以后能 分裂，在放出 2 ～3 个中子的同时伴随着一种巨大的能量，这种能量比化学反应所释放的能量大的多，这就是 我们今天所说的核能。核能的获得途径主要有两种，即重核裂变与轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的 能量。例如相同数量的氘和铀-235 分别进行聚变和裂变，前者所释放的能量约为后者的三倍多。被人们所熟悉 的原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变的原理。只是实现核聚变的条件要求的较高，即需要使氢核 处于几千万度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。 5 重核裂变 重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。 例如，当用一个中子轰击 U-235 的原子核时，它就会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 MeV 的能量。 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235 原子核，便引 起新的裂变，以此类推，裂变反应不断地持续下去，从而形成了裂变链式反应，与此同时，核能也连续不断地 释放出来。 6 轻核聚变 所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)重氢核(氘核)与超重氢核(氘核)结合成氦放出大量能量的过程，也称 热核反应。它是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般的温度和压力下， 很难发生聚变反应。而在太阳等恒星内部，压力和温度都极高，所以就使得轻核有了足够的动能克服静电斥力 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这一原理制成的，但它释放能量有着不可控性，所以有 时造成了极大的杀伤破坏作用。目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”也是应用了轻核聚变原理，由于这 种热核反应是人工控制的，因此可用作能源。 7 一种新能源—核电站 目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势，但此种能源不仅燃烧利用率低，而且污染环境，它燃 烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成 “温室效应“，使地球气温逐年升高，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严重影响。与火电厂相比，核电站是非常清洁的能源，不排放这些 有害物质也不会造成“温室效应”，因此能大大改善环境质量，保护人类赖以生存的生态环境。 世界上核电国家的多年统计资料表明，虽然核电站的投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本远远地低于燃 煤成本，相反核燃料反应所释放的能量却远远高于化石燃料燃烧所释放出来的能量，而且核燃料取之不皆，这 就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。 8 核能是可持续发展的能源 据估计，在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为 490 万吨和 275 万吨。这些裂变燃料足可以用到 聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂，1 升海水能提取 30 毫克氘，在聚变反应中能产生约等于 300 升汽油 的能量，即“1 升海水约等于 300 升汽油”，地球上海水中有 40 多万亿吨氘，足够人类使用百亿年。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。况且以目前世界能源消费的水平来 计算，地球上能够用于核聚变的氘和