核能利用的現(xiàn)狀與展望

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1、核能利用的現(xiàn)狀與展望一、核能原子核由統(tǒng)稱為核子的質(zhì)子和中子所組成。質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，中子不帶電荷。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)就是原子核的電荷數(shù)，也叫原子序數(shù)（Z），原子核的核子數(shù)就是該核的質(zhì)量數(shù)（A）。Z相同而A不相同的各種核稱為同位素核。原子核內(nèi)的中子數(shù)目與質(zhì)子數(shù)目滿足一定比值時(shí)，這類原子核是穩(wěn)定核；質(zhì)子過(guò)多或中子過(guò)多的核都是不穩(wěn)定核或放射性核，它們會(huì)自發(fā)地以發(fā)射不同射線的方式釋放出能量而轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核，此現(xiàn)象稱為核衰變。用中子、質(zhì)子、氘核（含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）或其它更重的核轟擊一種原子核，均可能發(fā)生核反應(yīng)而產(chǎn)生另一種原子核，同時(shí)常會(huì)釋放出巨大能

2、量。核衰變與核反應(yīng)過(guò)程中放出的能量統(tǒng)稱為核能。一個(gè)質(zhì)量數(shù)大的重原子核（如鈾、钚核等）分裂成兩個(gè)較輕的原子核（稱裂變碎片或裂變產(chǎn)物核）稱為裂變反應(yīng)，此時(shí)釋放的核能稱為裂變能；兩個(gè)質(zhì)量數(shù)很小的核（如H-2與H-3核或稱氘核與氚核）聚合為一個(gè)較重的核（如氦核）稱為聚變，此時(shí)釋放的核能稱為聚變能。1000克鈾原子核全部裂變，可釋放出8.19×1013焦耳的裂變能，相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒熱，1000克輕原子核的聚變能更是此值的3倍。?二、核裂變?nèi)剂虾土炎兡茚尫帕炎內(nèi)剂鲜悄馨l(fā)生裂變反應(yīng)并釋放出巨大核能的物質(zhì)，主要指易被低能中子作用而裂變的核素鈾

3、-235、钚-239和鈾-233，后二者是分別由天然的鈾-238和釷-232在核反應(yīng)堆中用中子照射并經(jīng)兩次β衰變而生成的。天然鈾廣泛分布在巖石和海水中，但含量很低；鈾礦石中含鈾則可達(dá)1％-4％，但鈾礦不多。天然鈾含有三個(gè)同位素，鈾-238占99.28％，鈾-235占0.714％，鈾-234占0.00548％，其中鈾-235在低能中子作用下主要發(fā)生裂變反應(yīng)，同時(shí)放出2-3個(gè)中子——裂變中子，和γ射線，而產(chǎn)生鈾-236俘獲反應(yīng)的比例不到15％。入射中子的能量越低，引發(fā)鈾-235核裂變的機(jī)率越大，即鈾-235的裂變截面越大。鈾-238在低能中子

4、作用下只發(fā)生俘獲反應(yīng)而生成鈾-239，只有快中子才能使它發(fā)生裂變。一個(gè)鈾-235原子核發(fā)生裂變時(shí)平均放出2.5個(gè)中子（钚-239可達(dá)3個(gè)中子），一部分中子飛出核燃料，一部分消耗于該核燃料中的（包括雜質(zhì)的）各種俘獲反應(yīng)，還有一部分可引發(fā)另外的鈾-235核裂變，如果最后的這一部分達(dá)到一個(gè)中子，則此核燃料中就可持續(xù)進(jìn)行鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，不斷地釋放出核能，此時(shí)稱倍增系數(shù)（K）等于1。當(dāng)K＜1時(shí)裂變反應(yīng)次數(shù)將逐漸減少而最終停止，當(dāng)K＞1時(shí)裂變反應(yīng)次數(shù)將增加，單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量也越來(lái)越多。顯然，為了使一個(gè)核燃料系統(tǒng)中的K值能夠達(dá)到1或大于1，核燃料必須

5、有很高的純度和一定的質(zhì)量。在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)自持的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所需的核裂變?nèi)剂系淖钚≠|(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。利用鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)原理釋放裂變能的核裂變反應(yīng)堆和原子彈，其中的裂變?nèi)剂系目傃b量均大于（或能改變條件使大于）臨界質(zhì)量。在核裂變反應(yīng)堆中要求平穩(wěn)地、持續(xù)地釋放能量，因而必須用吸收中子能力很強(qiáng)的物質(zhì)做成的控制棒，來(lái)控制核裂變?nèi)剂舷到y(tǒng)中的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)過(guò)程，使該系統(tǒng)的K=1。在原子彈中，平時(shí)要確保核裂變?nèi)剂咸幱诖闻R界狀態(tài)（即K≤1），不釋放能量，而在需要爆炸時(shí)設(shè)法使裂變?nèi)剂涎杆僮優(yōu)樯畛R界狀態(tài)，并適時(shí)提供中子進(jìn)行“點(diǎn)火”，通過(guò)快速增殖的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)

6、（過(guò)程約1微秒，增殖幾十代），達(dá)到瞬間釋放巨大的能量。?三、原子彈又稱裂變彈，是利用高濃鈾-235（豐度大于90％）或钚等易裂變重核的裂變反應(yīng)在瞬間釋放出巨大核能產(chǎn)生爆炸作用并有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)的武器，它是核武器中最基本的一個(gè)品種。有兩種方法將平時(shí)處于次臨界狀態(tài)的裂變?nèi)剂显谒查g達(dá)到超臨界狀態(tài)。槍法，是將兩塊分散放置且均低于臨界質(zhì)量的裂變?nèi)剂?，在化學(xué)炸藥爆炸的高壓力推動(dòng)下迅速拼合為一體而達(dá)超臨界狀態(tài)。美國(guó)于1945年8月6日投到廣島的原子彈（代號(hào)“小男孩”）就是一顆總量約50公斤濃縮鈾-235（豐度高于90％）的槍法鈾彈。該彈重4.1噸，

7、爆炸威力不足2萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量。槍法中核裂變?nèi)剂系睦眯剩ㄈ己模┖艿停s2％），故此法不常用，而多用內(nèi)爆法。內(nèi)爆法是用球殼形的化學(xué)炸藥爆炸產(chǎn)生的內(nèi)聚沖擊波和高壓力，將球殼內(nèi)原處于松散的、次臨界狀態(tài)的裂變?nèi)剂涎杆賶嚎s，急劇提升其密度，使之達(dá)到超臨界狀態(tài)。此法所需核裂變?nèi)剂仙伲胰己妮^高。美國(guó)1945年8月9日投到長(zhǎng)崎的原子彈（代號(hào)“胖子”）就是這種類型的钚彈，重4.5噸，威力約2萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量，即在爆炸時(shí)裂變了約一公斤钚。濃縮鈾-235是從鈾-238占絕大部分的天然鈾中分離出來(lái)的，由于它們的性質(zhì)極為相似，所以無(wú)論是電磁法，氣體擴(kuò)散法，離心法

8、，激光法，或是化學(xué)交換法，分離過(guò)程都是極為復(fù)雜的，是核工業(yè)發(fā)展中經(jīng)久不衰的研究課題。钚在核反應(yīng)堆中由鈾-238生成后，要經(jīng)過(guò)核化工廠的“后處理”從“乏燃料”中提取出來(lái)，這種強(qiáng)放射性物料的化工提