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1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

科學 星辰大海路上的種花家

一克鈾-235大約需要數百億年才能徹底釋放其能量,因為一克鈾並不能以鏈式反應的方式產生裂變,原因是它的無法達到臨界質量,不過可以只用來計算每一克鈾釋放的能量,那麼它到底有多大呢?

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

一克鈾徹底裂變釋放的能量相當於2.9噸標準煤

鈾的能量是通過重元素裂變所釋放的,有比較簡便的計算經驗計算方式,或者採用每摩爾鈾-235原子的數量,再按單個原子裂變的產生的能量計算,兩種都差不多,我們可以簡單做個計算!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

簡便計算

U-235裂變時質量虧損大約為0.0946%,也就是1克鈾徹底裂變後質量會減少0.0946%,這些減少的質量會被徹底轉換為能量,儘管它產生的質量變化極小,但以質量轉變為能量的計算方式是愛因斯坦的質能轉換:

E=mc²

c為光速,m為質量,單位為千克,因此一克鈾-235徹底裂變所產生的能量大約是:

85,022,239,908.5J

另一個方式是按每一鈾原子裂變的能量來計算,鈾-235裂變大約能產生207MeV的能量,1克鈾235大約為0.004255摩爾,而一摩爾鈾大約是6.0221415 × 10^23個鈾原子,那麼總共有2.562 × 10^21個原子!1Mev大約為:3.312×10^-11J,那麼全部裂變產生的能量為:

84,838,950000.0J

兩者大約相差0.21%,主要是四捨五入造成的,不過經驗公式已經很精確了,畢竟這是粗略計算,算個大概也就差不多了哈!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

這些能量大約相當於多少標準煤呢?1噸標準煤的熱值大約為29270MJ,那計算得約為2.9噸標準煤!大概一拖拉機不到一點(超載),所以各位可以想象一下,1克鈾-235而已,如果全面普及它將減少多少汙染排放呢?

為什麼一克鈾無法裂變,鈾的裂變過程是怎樣的?

從理論上來看,無論是多少鈾都能裂變,只要持續不斷朝它轟擊熱中子即可,但問題是能讓鈾-235裂變的熱中子源成本是很高的,用這種方式取得的裂變能源得不償失!這個難題完全可以用另一種方式來解決:鏈式反應!

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這種方式的原理很簡單,即一顆鈾原子在受到熱中子轟擊後會裂變成氪-92和鋇-141,並且釋放出2-3箇中子,這些多餘的中子經過減速劑減速後又能讓其它鈾原子裂變,變成自持裂變!而且還可以用中子吸收的控制棒來吸收這些多餘的中子,控制核反應堆的整體輸出能量,做到鏈式反應速度可調,那就是一個完美的核反應堆了!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

不過中學課本中就有說明,原子內部的空間是非常空曠的,原子核就相當於萬人體育場中間的籃球,在幾公里外的位置向體育場扔一個籃球,要命中這個籃球的概率幾乎等於0,那麼怎麼辦呢?既然一個體育場扔不中,那麼就用無數個體育場,扔出去總有一個會碰到的!

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這些無數個原子構成的原子籃球場,每次扔一定會命中一個的總數就是裂變材料的臨界質量,簡單的說就是達到這個質量後,就比較容易產生自持裂變了!比如鈾-235的臨界質量是52千克,但很多資料中稱是15千克!其實也沒錯,那是加上了中子反射層後的臨界質量,那樣就能將飛出核材料外的中子反射回來繼續參與裂變!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

核裂變除了釋放出巨大的能量外,還有令人厭惡的放射性汙染。

聽上文的介紹,核裂變是一種幾乎完美的能量,它可以裂變,只要足夠的核材料,只要啟動下就能自己裂變,還可以用控制棒改變輸出能量,一克鈾就有2.9噸標準煤,這還不夠完美嗎?從這個角度來說卻是完美無瑕,但它有兩個致命缺點!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

能裂變的鈾-235很難取得

鈾在自然界的儘管比較少,但它巨大的能量促使人類挖空心思去找鈾礦,當然不僅是能源的誘惑,還有製造原子彈的需求,人類最初利用鈾能量的原動力就來自於武器!在地球上鈾礦還是不少的,鈾的分離也不難!

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但天然鈾中絕大部分都是難以裂變的鈾-238,可以裂變的鈾-235大約只佔0.72%左右,而一般的輕水堆中對核燃料的要求比較高,核武器級的鈾-235要求就更高了,怎麼也得90%以上吧!但238和235是鈾的同位素,化學性質沒多少差別,所以分離非常困難!

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離心機結構

但因為兩種同位素相差3箇中子的質量,因此在大規模的235分離中,大都使用六氟化鈾的氣體離心分離法!這個分離方式原理很簡單,利用兩種同位素的密度差異,逐級分離濃縮,但因為兩者密度相差極小,因此離心分離需要很多級才能達到足夠的濃度,能量消耗極大,設備製造也比較困難!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

離心機陣列,這裡有多少數量?又有多少沒在畫面中的?

增殖堆的出現讓鈾利用率大幅增加

在核反應堆中,會有大量的多餘中子被控制棒吸收用來控制反應堆輸出功率,這些中子就被白白浪費了,而我們知道,元素在吸收中子後會不穩定,產生β-衰變,釋放出一個電子和一個反中微子後衰變成質子,也就是變成另一種元素!

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鈾-238的增值反應過程

這就是增殖堆的原理,如果將鈾-238利用起來的話,預計核燃料的消耗將在目前的規模上擴大十倍不止,人類的能源保證將達到千年甚至更久!

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鈾的裂變以及產物的衰變和增殖過程

放射性汙染無法處理

核裂變之後的元素大都具有放射性,它們會繼續衰變,一直到穩定元素,而這個週期短則數天,長則萬年甚至更久,因此核反應堆中每年都有大量的裂變過(並未100%利用),輸出能量下降的核廢料需要處理,而我們人類並沒有特別好的方法,只能暫時將它們收集起來,然後集中堆放在某個深深的地下巖洞中!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

1957年蘇聯東部烏拉爾山脈的深處,發生過歷史上最早,級別排名第三的“克什特姆核事故”,當時對核廢料的特性以及處理方式認識不足,一直只是將核廢料儲存在密封的鋼製容器中埋入了地下,澆上了一層薄薄的混凝土。

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

1957年9月29日晚,由於年久失修,冷卻系統出現故障,核廢料的放射性衰變的能量產生了大量的蒸汽,整個掩埋區發生了爆炸,幾十噸的鋼製罐子撕裂拋灑,核廢料撒得到處都是,據估計當時的能量大約相當於70-100噸TNT的當量,大量的放射性塵埃被排入大氣層!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

這些放射性物質隨著大風飄散,讓車里雅賓斯克州,斯維爾德洛夫斯克州和秋明州的部分地區都暴露於放射性汙染下,影響面積達52000平方公里,留下了一條長長的帶狀地帶!史稱東烏拉爾放射性痕跡”!

1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤?

所以核能非常強大,但它的放射性汙染也和它的能量一樣一樣強大,到現在為止人類依然只能掩埋處理,沒有更好的辦法,也許我們只能寄希望於未來的核聚變!但要是沒有實現核聚變呢?人類又該怎麼辦?各位不妨留言提個建議!

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