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1克铀-235完全裂变所产生的能量,相当于多少吨标准煤?

添加时间:2024-02-15

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一克铀-235大约需要数百亿年才能彻底释放其能量,因为一克铀并不能以链式反应的方式产生裂变,原因是它的无法达到临界质量,不过可以只用来计算每一克铀释放的能量,那么它到底有多大呢?

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一克铀彻底裂变释放的能量相当于2.9吨标准煤

铀的能量是通过重元素裂变所释放的,有比较简便的计算经验计算方式,或者采用每摩尔铀-235原子的数量,再按单个原子裂变的产生的能量计算,两种都差不多,我们可以简单做个计算!

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简便计算

U-235裂变时质量亏损大约为0.0946%,也就是1克铀彻底裂变后质量会减少0.0946%,这些减少的质量会被彻底转换为能量,尽管它产生的质量变化极小,但以质量转变为能量的计算方式是爱因斯坦的质能转换:

E=mc

c为光速,m为质量,单位为千克,因此一克铀-235彻底裂变所产生的能量大约是:

85,022,239,908.5J

另一个方式是按每一铀原子裂变的能量来计算,铀-235裂变大约能产生的能量,1克铀235大约为0.摩尔,而一摩尔铀大约是6. × 10^23个铀原子,那么总共有2.562 × 10^21个原子!1Mev大约为:3.312×10^-11J,那么全部裂变产生的能量为:

84,838,.0J

两者大约相差0.21%,主要是四舍五入造成的,不过经验公式已经很精确了,毕竟这是粗略计算,算个大概也就差不多了哈!

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这些能量大约相当于多少标准煤呢?1吨标准煤的热值大约为,那计算得约为2.9吨标准煤!大概一拖拉机不到一点(超载),所以各位可以想象一下,1克铀-235而已,如果全面普及它将减少多少污染排放呢?

为什么一克铀无法裂变,铀的裂变过程是怎样的?

从理论上来看,无论是多少铀都能裂变,只要持续不断朝它轰击热中子即可,但问题是能让铀-235裂变的热中子源成本是很高的,用这种方式取得的裂变能源得不偿失!这个难题完全可以用另一种方式来解决:链式反应!

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这种方式的原理很简单,即一颗铀原子在受到热中子轰击后会裂变成氪-92和钡-141,并且释放出2-3个中子,这些多余的中子经过减速剂减速后又能让其它铀原子裂变,变成自持裂变!而且还可以用中子吸收的控制棒来吸收这些多余的中子,控制核反应堆的整体输出能量,做到链式反应速度可调,那就是一个完美的核反应堆了!

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不过中学课本中就有说明,原子内部的空间是非常空旷的,原子核就相当于万人体育场中间的篮球,在几公里外的位置向体育场扔一个篮球,要命中这个篮球的概率几乎等于0,那么怎么办呢?既然一个体育场扔不中,那么就用无数个体育场,扔出去总有一个会碰到的!

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这些无数个原子构成的原子篮球场,每次扔一定会命中一个的总数就是裂变材料的临界质量,简单的说就是达到这个质量后,就比较容易产生自持裂变了!比如铀-235的临界质量是52千克,但很多资料中称是15千克!其实也没错,那是加上了中子反射层后的临界质量,那样就能将飞出核材料外的中子反射回来继续参与裂变!

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核裂变除了释放出巨大的能量外,还有令人厌恶的放射性污染。

听上文的介绍,核裂变是一种几乎完美的能量,它可以裂变,只要足够的核材料,只要启动下就能自己裂变,还可以用控制棒改变输出能量,一克铀就有2.9吨标准煤,这还不够完美吗?从这个角度来说却是完美无瑕,但它有两个致命缺点!

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能裂变的铀-235很难取得

铀在自然界的尽管比较少,但它巨大的能量促使人类挖空心思去找铀矿,当然不仅是能源的诱惑,还有制造原子弹的需求,人类最初利用铀能量的原动力就来自于武器!在地球上铀矿还是不少的,铀的分离也不难!

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但天然铀中绝大部分都是难以裂变的铀-238,可以裂变的铀-235大约只占0.72%左右,而一般的轻水堆中对核燃料的要求比较高,核武器级的铀-235要求就更高了,怎么也得90%以上吧!但238和235是铀的同位素,化学性质没多少差别,所以分离非常困难!

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离心机结构

但因为两种同位素相差3个中子的质量,因此在大规模的235分离中,大都使用六氟化铀的气体离心分离法!这个分离方式原理很简单,利用两种同位素的密度差异,逐级分离浓缩,但因为两者密度相差极小,因此离心分离需要很多级才能达到足够的浓度,能量消耗极大,设备制造也比较困难!

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离心机阵列,这里有多少数量?又有多少没在画面中的?

增殖堆的出现让铀利用率大幅增加

在核反应堆中,会有大量的多余中子被控制棒吸收用来控制反应堆输出功率,这些中子就被白白浪费了,而我们知道,元素在吸收中子后会不稳定,产生β-衰变,释放出一个电子和一个反中微子后衰变成质子,也就是变成另一种元素!

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铀-238的增值反应过程

这就是增殖堆的原理,如果将铀-238利用起来的话,预计核燃料的消耗将在目前的规模上扩大十倍不止,人类的能源保证将达到千年甚至更久!

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铀的裂变以及产物的衰变和增殖过程

放射性污染无法处理

核裂变之后的元素大都具有放射性,它们会继续衰变,一直到稳定元素,而这个周期短则数天,长则万年甚至更久,因此核反应堆中每年都有大量的裂变过(并未100%利用),输出能量下降的核废料需要处理,而我们人类并没有特别好的方法,只能暂时将它们收集起来,然后集中堆放在某个深深的地下岩洞中!

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1957年苏联东部乌拉尔山脉的深处,发生过历史上最早,级别排名第三的“克什特姆核事故”,当时对核废料的特性以及处理方式认识不足,一直只是将核废料储存在密封的钢制容器中埋入了地下,浇上了一层薄薄的混凝土。

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1957年9月29日晚,由于年久失修,冷却系统出现故障,核废料的放射性衰变的能量产生了大量的蒸汽,整个掩埋区发生了爆炸,几十吨的钢制罐子撕裂抛洒,核废料撒得到处都是,据估计当时的能量大约相当于70-100吨TNT的当量,大量的放射性尘埃被排入大气层!

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这些放射性物质随着大风飘散,让车里雅宾斯克州,斯维尔德洛夫斯克州和秋明州的部分地区都暴露于放射性污染下,影响面积达52000平方公里,留下了一条长长的带状地带!史称东乌拉尔放射性痕迹”!

所以核能非常强大,但它的放射性污染也和它的能量一样一样强大,到现在为止人类依然只能掩埋处理,没有更好的办法,也许我们只能寄希望于未来的核聚变!但要是没有实现核聚变呢?人类又该怎么办?各位不妨留言提个建议!

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