原子能 -漢語詞語

原子能

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又稱"核能"。即原子核發生變化時釋放的能量,如重核裂變輕核聚變時所釋放的巨大能量。放射性同位素放出的射線在醫療衛生、食品保鮮等方面的套用也是原子能套用的重要方面。在發現原子能以前,人類隻知道世界上有機械能,如汽車運動的動能;有化學能,如燃燒酒精轉變為二氧化碳氣體和水放出熱能;有電能,當電流通過電爐絲以後,會發出熱和光等。這些能量的釋放,都不會改變物質的質量,隻會改變能量的形式。

人類原子能的誕生地是世界頂級學府美國芝加哥大學。曼哈頓計畫期間,著名物理學家費米領導小組于1942年12月在芝加哥大學Stagg Field 建成人類第一台(可控)核反應堆,命名為芝加哥一號堆(Chicago Pile-1) 。該反應堆是採用鈾裂變鏈式反應,開啓了人類原子能時代。

基本簡介

原子的組成

原子能原子是由質子、中子和電子組成的。世界上一切物質都是由原子構成的,任何原子都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉的帶負電的電子構成的。一個鈾-235原子有92個電子,其原子核由92個質子和143個中子組成,50萬個原子排列起來相當一根頭發的直徑。如果把原子比作一個巨大的宮殿,其原子核的大小隻是一顆黃豆,而電子相當于一根大頭針的針尖。一座100萬千瓦的火電廠,每年要燒掉約330萬噸煤,要用許多列火車來運輸。而同樣容量的核電站一年隻用30噸燃料。

原子能原子能

原子核的結構

原子核一般是由質子和中子構成的,最簡單的氫原子核隻有一個質子,原子核中的質子數(即原子序數)決定了這個原子屬于何種元素,質子數和中子數之和稱該原子的質量數。

同位素

質子數P相同而中子數N不同的一些原子,或者說原子序數Z相同而原子質量數不同的一些原子,它們在化學元素周期表上佔據同一個位置,稱為同位素。所以,“同位素”一詞用來確指某個元素的各種原子,它們具有相同的化學性質。 同位素按其質量不同通常分為重同位素(如鈾-238、鈾-235、鈾-234和鈾-233)和輕同位素(如氫的同位素有氘、氚)。

核能

在50多年前,科學家發現鈾-235原子核在吸收一個中子以後能分裂,同時放出2—3個中子和大量的能量,放出的能量比化學反應中釋放出的能量大得多,這就是核裂變能,也就是我們所說的核能。

核子彈就是利用原子核裂變放出的能量起殺傷破壞作用,而核電反應堆也是利用這一原理獲取能量,所不同的是,它是可以控製的。

輕核聚變

兩個較輕的原子核聚合成一個較重的原子核,同時放出巨大的能量,這種反應叫輕核聚變反應。它是取得核能的重要途徑之一。在太陽等恆星內部,因壓力、溫度極高,輕核才有足夠的動能去克服靜電斥力而發生持續的聚變。自持的核聚變反應必須在極高的壓力和溫度下進行,故稱為“熱核聚變反應”。

氫彈是利用氘氚原子核的聚變反應瞬間釋放巨大能量起殺傷破壞作用,正在研究受控熱核聚變反應裝置也是套用這一基本原理,它與氫彈的最大不同是,其釋放能量是可以被控製的。

鈾是自然界中原子序數最大的元素,天然鈾由幾種同位素構成:除了0.71%的鈾-235(235是質量數)、微量鈾-234外,其餘是鈾-238,鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。也就是說1克U-235完全裂變釋放的能量相當于2噸半優質煤完全燃燒時所釋放的能量。

核能如何釋放

核能的獲得主要有兩種途徑,即重核裂變與輕核聚變。U-235,有一個特徵,即當一個中子轟擊它的原子核時,它能分裂成兩個質量較小的原子核,同時產生2—3個中子和β、γ等射線,並釋放出約200兆電子伏特的能量。

如果有一個新產生的中子,再去轟擊另一個鈾-235原子核,便引起新的裂變,以此類推,這樣就使裂變反應不斷地持續下去,這就是裂變鏈式反應,在鏈式反應中,核能就連續不斷地釋放出來。

核聚變

與鈾相同數量的輕核聚變時放出的能量要比鈾大幾倍。例如1克氘化鋰(Li-6)完全反應所產生的能量約為1克鈾-235裂變能量的三倍多。實現核聚變的條件十分苛刻,即需要使氫核處于幾千萬度以上高溫才能使相當的核具有動能實現聚合反應。

原子能原子能

例如,兩輛完全相同的汽車,都是5噸,一輛在運動,一輛是靜止的,如果運動的車一旦與靜止的車發生碰撞,猛然停止時,動能雖然失去了,可我們發現,汽車在相撞處變得很熱。這是什麽原因呢?汽車的動能轉變成了撞擊點金屬的熱能。但是,原子能比化學反應中釋放的熱能要大將近5000萬倍:鈾核裂變的這種原子能釋放形式約為2億電子伏特(一種能量單位),而碳的燃燒這種化學反應能量僅放出4.1電子伏特。原子能是怎樣產生的呢?鈾核裂變以後產生碎片,但所有這些碎片質量加起來少于裂變以前的鈾核,那麽,少掉的質量到哪裏去了,就是因為轉變成了原子能。愛因斯坦用E=mc²的公式來表示,即:能量等于質量乘以光速的平方。由于光速是個很大的數位(c=299792458m/s),所以質量轉變為能量後會是個非常巨大的數量,釋放的能量為ΔE=Δmc²。在核反應過程中,原子核結構發生變化釋放出的能量,又稱核能,20世紀30年代末,科學家發現,用中子轟擊鈾原子核,一個入射中子能使一個鈾核分裂成兩塊具有中等質量數的碎片,同時釋放大量能量和兩三個中子;這兩三個中子又能引起其他鈾核分裂,產生更多的中子,分裂更多的鈾核.這樣形成的自持鏈式反應,可在瞬間把鈾核全部分裂,釋放出巨額能量.鈾235可以被任何能量的中子特別是運動速度最慢的熱中子分裂.鈾238隻能被運動速度很快的快中子分裂,對慢中子和熱中子則隻俘獲不分裂.通常所說的核裂變,主要指鈾235核分裂.一個鈾235核分裂釋放的核裂變能為2億電子伏特.這是原子核結構發生變化的一種方式,叫裂變反應.另外一種方式叫聚變反應.如一個氘核和一個氚核聚合成一個氦核釋放出的核聚變能為1760萬電子伏特.以相同質量的反應物的釋能大小作比較,核裂變能和核聚變能分別是化學能的250萬倍和1000萬倍,1千克鈾-235相當于2500噸煤,1千克氘和氚相當于1萬噸煤.

發電概述

利用鈾、鈈、釷等核燃料在核反應堆中核裂變所釋放出的熱能,將水加熱成高溫高壓蒸汽以驅動汽輪發電機組發電的一種發電方式。

無知的代價在20世紀初,人們對鐳等放射性物質的危害還一無所知。在美國新澤西州的一家鍾表製造店裏,女工們用極尖的油漆刷把含鐳的油漆塗在手表的針面上。有些女工用嘴唇抿直刷毛,以保持漆刷的尖銳。她們所咽下去的少而又少的一點鐳為骨骼所吸收。數年之後,有人因鐳中毒而死亡。這是因為對放射性物質的無知而造成的典型的悲劇。其中有些染病的骨骼已被儲存在實驗室裏,供作進一步研究用。

隨著人類對放射性和原子能認識的加深,特別是核子彈問世以後,大批科學家開始了和平利用原子能的研究。人們已經知道,原子能不僅可用來造核子彈,還可以用于發展生產、改善人民生活、減輕人類的痛苦。

核電站

環境污染問題大部分是由使用化石燃料引起的,化石燃料燃燒會放出大量的煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等,由二氧化碳等有害氣體造成的“溫室效應“,將使地球氣溫升高,會造成氣候異常,加速土地沙漠化過程,給社會經濟的可持續發展帶來災難性的影響,核電站並不排放這些有害物質,不會造成“溫室效應“,與火電廠相比,它能大大改善環境質量,保護人類賴以生存的生態環境等。

在國外核電站的周圍有人居住、遊泳、放牧牛羊、釣魚,有的核電站位于大城市附近,有的位于遊覽區。核電站是安全、經濟、幹凈的能源,與火電站相比,更有利于保護環境。

經濟能源

世界上有核電國家的多年統計資料表明,雖然核電站的比投資高于燃煤電廠,但是,由于核燃料成本顯著地低于燃煤成本,以及燃料是長期起作用的因素,這就使得核電站的總發電成本低于燒煤電廠。

可持續能源

世界上已探明的鈾儲量約490萬噸,釷儲量約275萬噸。這些裂變燃料足夠使用到聚變能時代。聚變燃料主要是氘和鋰,海水中氘的含量為0.034克/升,據估計地球上總的水量約為138億億立方米,其中氘的儲量約40萬億噸,地球上的鋰儲量有2000多億噸,鋰可用來製造氚,足夠人類在聚變能時代使用。按世界能源消費的水準,地球上可供原子核聚變的氘和氚,能供人類使用上千億年。因此,有些能源專家認為,隻要解決了核聚變技術,人類就將從根本上解決了能源問題。

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原子發電不是夢

人們最容易想到的利用原子能的途徑就是設計一種原子反應堆,然後利用裏面產生的熱能發電。但是,用原子能發電要比用傳統的方法貴得多。主要不是因為所用的燃料昂貴,而是由于原子能發電廠的建造要十分安全,能夠防止射線的逸出。隻有在技術條件成熟的情況下,原子能發電廠的造價才會有所降低。

從1956年英國女王伊利莎白二世按下開關按鈕、世界第一座大型原子能發電廠供電開始,到1965年,英國已有19座原子能發電廠,還有許多座發電廠正在設計過程當中。許多國家都有原子能發電廠。

當科學家們最早談起輕便的原子能發電廠時,很多人認為他們是在做夢。今天,有些機動的原子能發電廠,或以車載或以空運送到一個地點,在12個小時之內就可以發動使用。而一磅的鈾就相當于6千桶的油料。對于荒涼的北極和南極地區而言,在低于零度的氣溫條件下,輕便的發電原子反應堆似乎是解決電力和熱量供應問題的最好方法。如美國曾用27隻大箱子裝滿原子發電廠的零件,每隻重約15噸,送到偏僻的懷俄明山頂,到那裏再安裝起來,成為一座供雷達使用的中型發電廠。

除了發電外,體積較小的原子反應堆還有其他用途,美國1955年下水的第一艘核潛艇“鸚鵡螺號”就是用和高爾夫球一樣大小的一塊鈾推動的。“鸚鵡螺號”第一年在海上航行了幾萬公裏,沒有增加任何燃料。

原子反應堆在產生大量熱能的同時,還能產生大量的中子流。有一些元素在中子流的轟擊下能捕捉住其中的一個中子,變成具有放射性的元素。但是,這些元素不是通常所說的放射性元素,它們由于吸收了一個中子才具有放射性,因此人們稱它們為人造放射性元素。多了一個中子後,原子的質量也發生了變化,人們又稱這些元素為放射性同位素。

不管是哪一種放射性元素,其表現都是一樣的。它能夠持續不斷地放射出射線和粒子。放射性同位素正是靠這種表現才身價百倍。

福爾摩斯

構想一個竊賊從現場慌忙逃跑。他經過出口,一擦而出,但難免有一點兒幾乎無法覺察的油漆附著到他的衣服上,或者可能從偷來的汽車上沾到一點油污,或者從犯罪的現場帶走一縷頭發。使用原子放射性的活化分析能夠鑒定這些微小的東西,而讓他們俯首認罪。雖然不同人的頭發含有少許相同的成份,但其所有的各種成份的數量卻因人而異。

活化分析

活化分析是原子能在工業界最有意思的套用。當某物一經放射性照射,其每一種構成元素都會變為一種同位素,而且每一種同位素都有其獨特的放射方式。利用這種方法,科學家可以鑒別物體裏的材料種類,以及每一種成份的精確數量。

活化分析有兩大優點,其中之一就是可在幾分鍾內準確無誤地鑒定物質。若用過去的老方法,可能需要數天甚至數周的時間。

放射性同位素可用作一種檢查工具,尋找飛機機身損壞的部位,和電氣系統聯接不良的地方。機身上有些部位不容易達到,但是使用放射性同位素如銫137可以進行檢查,而且輕而易舉。

放射性偵察

放射性偵察還可以保護機器操作人員的安全。比如,沖壓機操作人員的手可用放射性袖口來加以保護,當他沒有及時把手抽出來的時候,機器便因放射線的關系而自動停止下來。

有些貨箱在脫離生產線的時候,可以用放射性同位素來檢查,如果一個貨箱裝得不好,在貨箱經過兩邊分別設定有同位素和蓋革計數器的通道時放射線增加,一隻警告燈便亮了起來,或者可以調整機器,使之能適時地剔出糗裝不良的貨箱。

質量和效果

放射性在工業上還有一種套用,即檢驗產品的質量和效果。以肥皂和洗滌劑為例。細菌小而又小,不用顯微鏡便無法看到它們。不過,如果用放射性同位素來培養細菌,它們都變得有放射性,可以很容易地用蓋革計數器測出來。如果為了檢查各種肥皂和洗滌劑的清潔能力,把放射性細菌放在衣服上,再各用不同的肥皂和洗滌劑清洗,測量殘留的細菌就可以知道每一種肥皂和洗滌劑的好壞。

套用幫手

誰都知道,用放射性來治療癌症是很有效的。美國的醫生就曾用一種金屬製的彈丸,使其具有放射性,然後利用特別的槍把彈丸射入根深蒂固的腫瘤裏面。

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割除癌性腫瘤後,外科醫生用具有放射性的鈷絲縫合創口,不僅可以起到一般縫合的作用,而且還有放療殺癌細胞的功能,可謂一舉兩得。

使用放射性可追蹤碳原子在生命過程的行蹤。如讓老鼠吃有放射性碳(碳14)的糖,則通過蓋革計數器可偵察到糖的行蹤。如果在老鼠的脂肪裏找到了放射性的碳原子,就可以判斷糖已經轉化為脂肪了。

放射性同位素有時還幫助醫生做出重要的判斷。一位婦女在一次意外的事件中壓傷了手臂,正躺在一家醫院的手術台上等候手術。但是外科醫生必須盡快查明她的手臂裏是否還有足夠的血液迴圈經過,以便決定要不要做截肢手術。醫生把放射性鈉,以放射性食鹽的形式摻進普通的食鹽裏面,註進了這名婦女的血管裏,然後用蓋革計數器進行追蹤。結果顯示,這條手臂尚有相當充分的血液迴圈存在。因此在幾秒鍾內,這種放射性同位素便使醫生斷定無須做截肢手術。

放射性同位素對診斷癌症也很有幫助。哈佛醫學院和麻薩諸塞州的許多醫院,都在使用一種“正子診察機”來檢查腦瘤,而不必開顱。將少量的放射性砷註射到患者的靜脈裏,幾小時後,帶有放射性標簽的砷便在蓋革計數器上顯現出來,並顯示出何處砷的數量最多。由于癌瘤比正常的組織吸收較多的放射性砷,在大多數情況下,醫生都可以準確地判斷癌瘤的大小和位置。而乳癌可以利用放射性鉀來診斷,因為放射性鉀集中于乳瘤的部分遠比其他部位多。

顯然,放射性不僅可以致人于死地,也能使病人從病痛中解脫出來。

農民的朋友

隨著生物技術的發展,放射性同位素在農業上也有廣泛的套用。

全美國的農民每年用于肥料上的金錢要超過1000萬美元。放射性同位素可以指導他們如何利用這筆投資來獲取更大的收益。對于每一種農作物,農民都可以利用放射性同位素確定何種肥料及多大施用量為最合適,並能確定施肥的最佳時機和最佳方法。以前人們一直認為植物所有的養分都是由其根部吸收的,但是利用放射性同位素作示蹤劑證明,事實並非如此。果樹、番茄、馬鈴薯以及其他植物的葉也可以迅速有效地吸收肥料。根據這種情況,農民不僅把肥料施用于土地上,也噴灑在葉子上,這樣植物對肥料的吸收量大約可增加10倍以上。使用放射性同位素還可以改良植物的品種。

科學家很早就知道,植物暴露于放射線之下可以產生變異,並且這種變異可遺傳給下一代。利用放射性同位素改良植物的品種已取得很大的進展。放射線使蘋果、梨和葡萄等發生突變。利用這些實驗,人類可以隨心所欲地得到色香味俱佳的水果和蔬菜。更進一步的研究表明,科學家利用放射性進行科學育種,使有些植物可以生長在幹旱地帶、有些植物可以生長在多雨地區。並且在不遠的將來,無論是在高寒地帶,還是在土壤貧瘠的地區,都會有適宜的農作物生長。

從事植物研究的科學家已經成功地培育出大麥的新品種,該品種大麥的麥粒和麥稈的產量都很高。通過對花生的種子進行放射性處理,能使每畝的產量提高30%.此外,培育出適應某種需要的種子隻需用一年半的時間,若用傳統的植物育種的方法,至少要花費十年的時間,並耗用大量的資金。

放射線還是對付害蟲的一種武器。雄性螺旋蠅經過鈷照射後便不能生育,雌性螺旋蠅與失去生育能力的雄性螺旋蠅交配所產的卵便不能發育成蟲。農業科學家已利用這種方法消滅了大量的害蟲。

對于新問世的動物催肥劑是否對人體有害也可以用放射性做實驗。一種新型的供豬和雞食用的催肥劑給豬和雞吃了以後,可減慢其甲狀腺的功能,從而使豬和雞在同樣食量的情況下,生長得又快又肥。但是,在豬的肌肉裏,是否含有這種催肥劑的成份?人吃了這種肉後,是否會對身體健康有影響?在烤雞和炒蛋裏面是否也含有這種催肥劑呢?這是令人擔憂的問題。但是,利用放射性實驗得出的答案是否定的。農民可以安全地使用這種催肥劑來增加豬和雞的重量。

利用葯物可減緩動物甲狀腺功能,對人體並不造成任何損害這一原理,科學家還使母牛的性情變得溫和起來,並使之產更多的牛奶。

我們正步入原子時代,人類走到了十字路口。一條路是把原子能所創造的奇跡用在和平的目的上,以謀求社會的進步。另一條路則通向地球上生命的死亡和毀滅,製造更大的更加可怕的炸彈。我們相信人類會選擇前者,而不是後者。

第四代

利用反物質的原子,製造無任何污染的核能源。將氫原子核中的質子與氫原子加速對撞,產生反氫原子,此時的原子核為負電荷,外圍電子為正電荷,當反氫原子與氫原子相遇時,灰飛煙滅,瞬間產生強大的光輻射能和波能並摧毀一切,核聚變過後,不會剩餘任何的核污染物。可利用正反物質的原子核聚變,來生產新型的核能源,以代替重污染的核材料。科學家正在尋找簡便的方法來製造反物質,利用外太空收集器的方式,收集反物質粒子,也可利用高強度的雷射照射黃金,產生黃金的反物質,也就是製造反金原子。用以減少製造反物質的成本,加速新型核能源的生產。

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全球市場發展

中國核能

中國大陸核電發展主要經歷了核電起步階段、適度發展階段、積極發展階段和安全高效發展階段。

中國核電從自行設計、建造第一座30萬千瓦秦山核電站起,目前已建成浙江秦山、廣東大亞灣和江蘇田灣三個核電基地,截至2013年8月底,共有17台機組相繼投入商業運行,總裝機容量約1475萬千瓦。投入商業運行的17台核電機組分別是:浙江秦山一期核電站、浙江秦山核電站二期、浙江秦山核電站三期、廣東大亞灣核電站、廣東嶺澳核電站一期、江蘇田灣核電站一期,廣東嶺澳核電站二期、浙江秦山核電站二期擴建工程,福建寧德核電站1號機組、遼寧紅沿河核電站1號機組。

英國核能

c英國建成了世界上第一座商業運營核電站。結合國內巨大的消費市場,英國政府對核能產業給予了政策上的大力支持。經過半個多世紀的攻堅歷程,英國核電積累了世界領先的技術經驗,建立了成熟發達的人才基地,形成了成套的產業鏈及完備的配套服務體系。目前,英國核行業擁有超過40億英鎊營業額,據估計,在未來10年內,英國核電行業還會吸引150億—170億英鎊的額外投資。作為第四代核能國際論壇的成員之一,英國是倡導第四代核電技術的活躍力量。

英國是世界核能發展歷史最悠久的國家之一,長久以來,核能產業技術在英國的發展已經奠定下了堅實的基礎。在研發能力方面,英國擁有眾多核技術研發中心和實驗室。目前,英國有超過15萬名學生在英國學習工程相關學科,許多大學也專門設立了核能研究中心以支持英國核能產業的發展。先進的行業技術,優秀的科研人才中心,核能技術人才的培養中心不僅為英國蓬勃的核能行業發展提供了重要的技術及經驗支持,更為投資者的核能技術人才交流提供了良好的平台。

法國核電

法國80%左右的電力由核電供應,也是計畫建造更多核電站的惟一歐洲國家。法國是僅次于美國的全球第二大民用核大國,目前,法國擁有核電站18座,核發電機組57個。

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