核能及其和平利用

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1、核能及其和平利用对于原子核的研究人类已经历了一百多年的努力，1896 年贝克勒尔发现铀盐 的放射现象，这是人类第一次在实验室里观察到原子核现象是核物理的开端。1897 年 JJ 汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的核质比从而在实验上发现了电 子。电子的发现极具历史意义，它打破了原子不分的传统观念，打开了通向原子 物理的大门。1919 年卢瑟福首次实现人工核反应发现质子。1932 年 J Chadwick 发现中子。1939 年发现重核裂变。1942 年发明热中子链式反应。1945 年在奥本 海默领导下原子弹试爆成功。1952 年在泰勒领导下氢弹试爆成功。1952 年前苏联 建成第一个核电站。

2、至今我国已拥有原子弹和氢弹，并建成了两座核电站。从核 物理的发展来看，人类对原子的内部结构不的深入并从中发现了巨大的能量（核 能）。要实现核能利用就必须精确了解原子核内部结构。原子核的组成：原子核对原子的性质起主要贡献的是核的质量和电荷。核的 线度只有原子的万分之一但质量却占原子质量的 99以上。元素的物理，化学性 质或光谱特性主要与核外电子有关，而放射性则归因于原子核。 元素：质子数相同的一类原子。核素：具有相同质子数和相同中子数的一类原子 核。同位素：Z相同但N不同的核素。同量异位素：A相同但但Z不同的核素。 A表示 核子数，Z表示质子数。 原子核中的质子与质子，中子与中子，质子与中子依靠

3、强大的力结合在一起，这 就是核力。核力：核子紧密结合形成高密度核的力。我们知道原子核极小,所以这 种力必是极强的作用，即核力是具有饱和性的短程力。核力是与电荷无关的强相 互作用，其强度约为库仑力的 100 倍。核力在极短程表现为斥力。重荷裂变从结合能图可知，重核裂变为两个中等核时，平均结合能将增加 1Mev 左右， 即每个核子平均贡献 1Mev 左右的能量。一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中 一原子提供能量的 1亿倍。而裂变的关键在于铀核裂变平均要放出 2.5个中子， 恰好这些中子是维持链式反应所必须的。即中子的再生率大于 1。因为核子间依 靠强大的核力结合所以要使原子发生裂变就必须对其施以

4、极其强大的能量，以迫 使核子分开。当核子分开变成小质量原子及粒子时放出难以想象的能量。放出的 能量及中子是引发后续裂变反应的条，因此重核的裂变反应一旦开始便不需要再 提供能量，反应将自行进行下去。这种不可控的裂变反应会引起难以想象的爆炸， 这就是原子弹爆炸。从以上可知要实现裂变反应就要给核子提供能量，可是事实证明即使有足够 的能量也不一定能促使裂变发生，这就出现了关键性的问题：链式反应没有持续 进行下去。通过理论分析及实验我们知道了，裂变反应放出的中子速度极快在没 有撞击剩余核子时便从铀中逃逸了，这使得反应没能持续进行下去，所以要使链 式反应可以不断持续就要使纯铀达到一定的体积，即临界体积。当

5、纯铀大于此体 积时裂变放出的中子便可以在逃离反应物前撞击剩余核子激发后续的裂变反应。 同时为了使裂变持续需要使高速运动的中子减速，目前世界上使用的减速剂是重 水和石墨。有了这些理论指导热核裂变就可以顺利进行。因为反应释放的能量巨 大所以如果不能控制就会发生巨型爆炸，为了使裂变反应可控我们可在反应堆中 插入铬棒。因为铬可以有效的吸收中子，所以插入铬棒后裂变反应放出的中子减 少裂变反应也就得到了有效控制。可控核裂变的发明使得和平利用核能成为可能。 原子弹的爆炸就是不可控核裂变反应的结果。美国试爆的原子弹 钚装药 6.1kg TNT当量2.2万吨。试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，在 半径

6、400 米范围内沙石被融化成了黄绿色的玻璃状物质，半径 1600 米内所有动物死亡。原 子弹的可怕威力让世人震惊，随后原子弹被投放在日本广岛和长崎造成数十万人 死亡，两座城市被摧毁。其可怕的威力让各国谈核色变。我国为了能够和平发展 不受霸权主义国家的核讹诈从上世纪 50 年代便着手发展自己的核事业。1964 年 我国第一颗原子弹试爆成功，1967 年我国第一颗氢弹试爆成功，1969 年我国第一 次地下核爆实验成功，至今我国已拥有两座核电站。轻核聚变由两个核质较小的原子聚合成一较大原子同时释放出巨大能量的过程叫作 轻核的聚变。轻核聚变时每个核子贡献的能量是36Mev。大约是U裂变时每个核 子贡献

7、能量的 4 倍。所以聚变比裂变拥有大的多的能量，其破坏力也是成倍数增 长。用于聚变反应的原料是氘原子，它是氢的一种同素异形体。氘核靠短程核力 聚合在一起，核子间距离RVlOfm才会有核力作用。R=10fm时库伦势垒高度为 E=144kev。两个氘核必须克服这个势垒才能聚合，即每个核至少需要72kev的动 能。我们可以假设其为平均动能由E=15KT可得出相应的温度T=5.6 x 108K考虑 到粒子的势垒贯穿几率和部分粒子的动能大于平均动能从理论上估计聚变温度约 为108T。轻核的聚变不放出中子，但释放的能量更加巨大。聚变反应只需要足 够的能量就能维持。所以设法在某一轻核的混合物上达到高温高压就

8、可实现热核 聚变。聚变对能量条件的要求非常高，而原子弹放出的能量就恰好符合这个条件。 所以聚变是建立在裂变基础上的，裂变放出足够的能量引发聚变进行，随后由聚 变反应自己维持。轻核聚变与重核裂变相比有很多优点：用于反应的原料很多， 反应放出的能量更多，反应没有辐射。由此可以看出以后核能的利用应该以轻核 的聚变为主，但轻核的聚变也有缺点：其可控性差。目前我们还没有有效的方法 完全的控制轻核聚变，所以聚变的和平利用还要一段时间的研究。氢弹试轻核聚 变的应用，这是一种不可控的聚变。氢弹的构造比原子弹更为复杂，在氢弹的中 心部位是一颗小型原子弹，它就是氢弹的引发剂，通过原子弹爆炸产生的巨大能 量引导氘核

9、发生聚变。氢弹虽没有进行过实战使用但其比原子弹还要强大数十倍 的破坏力已让人类不寒而栗，也希望它永远不会被在人类战争中使用。通过以上我们知道核能是可为人类使用的巨大财富，但也可能是人类毁灭自 己的武器。为核物理而奋斗的科学家是秉着追求真理的崇高科学精神在研究，而 将核用于战争则违背了科学的本意，是将人类推向灭亡。和平的使用核能才是人 类发展的正确轨道，建设一个无核化世界是所要人期望的。目前核威胁仍在世界 上存在，拥有核武器的发达国家仍以核相威胁以达到自己的利益最大化。而在局 部地区也不平静，伊朗核问题，朝鲜核问题还在不断上演。我国作为拥有核武器 的国家对世界承诺绝：不对无核武器的国家使用核武器，绝不先使用核武器，我 国是以自卫为目的拥有核武器。核的使用对人类来说最正确的是其作为能源。核 电站的建设就是其中之一，核电站的污染小而且原料可谓是其之不竭，这必将是 未来人类使用的主要能源。所有国家都应该遵守核不扩散条约，和平使用核能， 让核发挥最有利于人类的价值。2010.12.8 陈辉