核能利用的现状与展望

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1、核能利用的现状与展望一、核能原子核由统称为核子的质子和中子所组成。质子带一个正电荷，中子不带电荷。原子核内的质子数就是原子核的电荷数，也叫原子序数（Z），原子核的核子数就是该核的质量数（A）。Z相同而A不相同的各种核称为同位素核。原子核内的中子数目与质子数目满足一定比值时，这类原子核是稳定核；质子过多或中子过多的核都是不稳定核或放射性核，它们会自发地以发射不同射线的方式释放出能量而转变为稳定核，此现象称为核衰变。用中子、质子、氘核（含一个质子和一个中子）或其它更重的核轰击一种原子核，均可能发生核反

2、应而产生另一种原子核，同时常会释放出巨大能量。核衰变与核反应过程中放出的能量统称为核能。一个质量数大的重原子核（如铀、钚核等）分裂成两个较轻的原子核（称裂变碎片或裂变产物核）称为裂变反应，此时释放的核能称为裂变能；两个质量数很小的核（如H-2与H-3核或称氘核与氚核）聚合为一个较重的核（如氦核）称为聚变，此时释放的核能称为聚变能。1000克铀原子核全部裂变，可释放出8.19×1013焦耳的裂变能，相当于2700吨标准煤的燃烧热，1000克轻原子核的聚变能更是此值的3倍。 二、核裂变燃料和裂变能释放

3、裂变燃料是能发生裂变反应并释放出巨大核能的物质，主要指易被低能中子作用而裂变的核素铀-235、钚-239和铀-233，后二者是分别由天然的铀-238和钍-232在核反应堆中用中子照射并经两次β衰变而生成的。天然铀广泛分布在岩石和海水中，但含量很低；铀矿石中含铀则可达1％-4％，但铀矿不多。天然铀含有三个同位素，铀-238占99.28％，铀-235占0.714％，铀-234占0.00548％，其中铀-235在低能中子作用下主要发生裂变反应，同时放出2-3个中子——裂变中子，和γ射线，而产生铀-236

4、俘获反应的比例不到15％。入射中子的能量越低，引发铀-235核裂变的机率越大，即铀-235的裂变截面越大。铀-238在低能中子作用下只发生俘获反应而生成铀-239，只有快中子才能使它发生裂变。一个铀-235原子核发生裂变时平均放出2.5个中子（钚-239可达3个中子），一部分中子飞出核燃料，一部分消耗于该核燃料中的（包括杂质的）各种俘获反应，还有一部分可引发另外的铀-235核裂变，如果最后的这一部分达到一个中子，则此核燃料中就可持续进行链式裂变反应，不断地释放出核能，此时称倍增系数（K）等于1。当

5、K＜1时裂变反应次数将逐渐减少而最终停止，当K＞1时裂变反应次数将增加，单位时间内释放的能量也越来越多。显然，为了使一个核燃料系统中的K值能够达到1或大于1，核燃料必须有很高的纯度和一定的质量。在一定条件下能够实现自持的链式裂变反应所需的核裂变燃料的最小质量称为临界质量。利用链式裂变反应原理释放裂变能的核裂变反应堆和原子弹，其中的裂变燃料的总装量均大于（或能改变条件使大于）临界质量。在核裂变反应堆中要求平稳地、持续地释放能量，因而必须用吸收中子能力很强的物质做成的控制棒，来控制核裂变燃料系统中的链

6、式裂变反应过程，使该系统的K=1。在原子弹中，平时要确保核裂变燃料处于次临界状态（即K≤1），不释放能量，而在需要爆炸时设法使裂变燃料迅速变为深超临界状态，并适时提供中子进行“点火”，通过快速增殖的链式裂变反应（过程约1微秒，增殖几十代），达到瞬间释放巨大的能量。 三、原子弹又称裂变弹，是利用高浓铀-235（丰度大于90％）或钚等易裂变重核的裂变反应在瞬间释放出巨大核能产生爆炸作用并有大规模杀伤破坏效应的武器，它是核武器中最基本的一个品种。有两种方法将平时处于次临界状态的裂变燃料在瞬间达到超临界状

7、态。枪法，是将两块分散放置且均低于临界质量的裂变燃料，在化学炸药爆炸的高压力推动下迅速拼合为一体而达超临界状态。美国于1945年8月6日投到广岛的原子弹（代号“小男孩”）就是一颗总量约50公斤浓缩铀-235（丰度高于90％）的枪法铀弹。该弹重4.1吨，爆炸威力不足2万吨梯恩梯当量。枪法中核裂变燃料的利用效率（燃耗）很低（约2％），故此法不常用，而多用内爆法。内爆法是用球壳形的化学炸药爆炸产生的内聚冲击波和高压力，将球壳内原处于松散的、次临界状态的裂变燃料迅速压缩，急剧提升其密度，使之达到超临界状态

8、。此法所需核裂变燃料少，且燃耗较高。美国1945年8月9日投到长崎的原子弹（代号“胖子”）就是这种类型的钚弹，重4.5吨，威力约2万吨梯恩梯当量，即在爆炸时裂变了约一公斤钚。浓缩铀-235是从铀-238占绝大部分的天然铀中分离出来的，由于它们的性质极为相似，所以无论是电磁法，气体扩散法，离心法，激光法，或是化学交换法，分离过程都是极为复杂的，是核工业发展中经久不衰的研究课题。钚在核反应堆中由铀-238生成后，要经过核化工厂的“后处理”从“乏燃料”中提取出来，这种强放射性物料的化工提