核能的利用與發(fā)展

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1、核能的利用與前景摘要本文簡要介紹原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能、核子的平均結(jié)合能與規(guī)律等核能利用原理及核能發(fā)電、供熱的應(yīng)用，并對核能聚變前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞核能質(zhì)量虧損結(jié)合能1、引言【1】人類賴以生存的地球,正在超負(fù)荷運(yùn)行。不僅人口在增長,而且社會發(fā)展對能源的需求正以驚人的速度增長。而靠大量燃燒石化燃料獲得能源的同時,也給現(xiàn)代社會帶來了許多難以解決的災(zāi)難性問題：能量資源短缺,森林植被遭破壞,大氣、水系、土壤被污染,二氧化碳增多導(dǎo)致的溫室效應(yīng)使自然災(zāi)害增多等等。在保護(hù)和改善環(huán)境的前提下開發(fā)利用新興能源,是人類生存和社會發(fā)展的必然趨勢。20世紀(jì)30年代,隨著對原子核研究的深入,人

2、類發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的可開發(fā)的能量,并開始和平利用原子能的研究。經(jīng)半個多世紀(jì)的努力,迄今世界上已有30多個國家建造核電站440多座,發(fā)電量占全球的18%。與火電相比,核電是廉價、潔凈、安全的能源。隨著將來受控?zé)岷司圩兊某晒?核能必然成為未來的能源支柱。2、原理2.1、原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能【1】原子核都是由質(zhì)子和中子組成的,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)任何一個原子核的質(zhì)量總小于組成它的所有核子的質(zhì)量和,也即核子在組成原子核的過程中,發(fā)生了質(zhì)量虧損,其虧損等于核子結(jié)合為核時質(zhì)量的減少,用△M表示。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,可知自由核子在結(jié)合成原子核時要釋放能量,這

3、個能量稱為原子核的結(jié)合能B。,其中Mp、Mn、M分別為質(zhì)子、中子、原子核的質(zhì)量。2.2、核子的平均結(jié)合能與規(guī)律【1】質(zhì)子和中子結(jié)合為原子核時放出的總能量除以質(zhì)量數(shù)A,稱為核子的平均結(jié)合能E。其物理意義是自由核子結(jié)合成原子核時平均每個核子釋放的能量;也可圖1：平均結(jié)合能圖以理解為核分散成核子時,外界必須對每個核子作功的平均值。E的大小可以表征原子核穩(wěn)定的程度。平均結(jié)合能越大，表示這些原子核越穩(wěn)定。核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，中等核子數(shù)的原子核，外來中子鈾-235裂變輻射中子鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)圖3：裂變反應(yīng)示意圖平均結(jié)合能較大，表示這些原子核較穩(wěn)定。當(dāng)

4、平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時，就可釋放核能。圖3：核聚變示意圖圖1中表示出各種不同核的平均結(jié)合能對質(zhì)量數(shù)A的分布曲線。從曲線圖分析可知中等原子核的平均結(jié)合能較大,輕核和重核的平均結(jié)合能較小。這說明當(dāng)一個重核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核時或者當(dāng)兩上很輕的核聚合成一個較重的核時,將有能量的釋放,此能即為原子能,又稱核能。重核的裂變和輕核的聚變是獲取原子能的兩條主要途徑。2.3、核裂變【2】核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子（鈾yóu或钚bù）分裂成較輕的原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈以及裂變核電站或是核能發(fā)電廠的能量來源都是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常

5、見，加熱后鈾原子放出2到4個中子，中子再去撞擊其它原子，從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而自發(fā)裂變。如圖2所示。2.2、核聚變【2】核聚變是指由質(zhì)量小的原子（主要是指氘或氚）在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。如圖3所示。3、核能的利用核能對軍事、經(jīng)濟(jì)、社會、政治等都有廣泛而重大的影響。在軍事上，核能可作為核武器，并用于航空母艦、核潛艇等的動力源；在經(jīng)濟(jì)上，核能可以替代化石燃料，用于發(fā)電；可以作為放射源應(yīng)用于醫(yī)療等?！?】3.1、核能發(fā)電【4】利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱

6、能進(jìn)行發(fā)電的方式。它與火力發(fā)電極其相似,只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學(xué)能。核電之所以能成為重要的能源支柱之一，是由它的安全性、運(yùn)行穩(wěn)定、壽期長和對環(huán)境的影響小等優(yōu)點(diǎn)所決定的。大部分核電發(fā)達(dá)國家的核能發(fā)電比常規(guī)能源發(fā)電更為經(jīng)濟(jì)。3.2、核能供熱【3】核能供熱是20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，這是一種經(jīng)濟(jì)、安全、清潔的熱源。發(fā)展核反應(yīng)堆低溫供熱，對緩解供應(yīng)和運(yùn)輸緊張、凈化環(huán)境、減少污染等方面都有十分重要的意義。核供熱是一種前途遠(yuǎn)大的核能利用方式，不僅可用于居民冬季采暖，也可用于工業(yè)供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫?zé)嵩矗?/p>

7、能用于煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業(yè)。核能不僅可以供熱，還可以用來制冷，通過低溫供熱堆進(jìn)行的制冷試驗(yàn)已成功。4、結(jié)束語——聚變能利用的探索福島核電站事故的發(fā)生，又一次引發(fā)了人們對核能利用的廣泛討論，許多人極力反對核能的繼續(xù)使用。但我們必須認(rèn)清人類發(fā)展的現(xiàn)狀——人口爆炸與能源短缺?；剂鲜褂么M，其他新型能源如風(fēng)能、太陽能、潮汐能等還無法滿足全人類的能源需求，只有核能的利用能解決當(dāng)前的問題。所以核能不但不能放棄，還需要更進(jìn)一步的開發(fā)利用——聚變能。釋放原子能的另一個有效途徑是利用輕核的聚變反應(yīng)。把兩上或多個較輕的原子核工業(yè)結(jié)合成較重的原子