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你不知道的核裂变--你该知道的物理 精选

已有 9513 次阅读 2010-7-30 14:36 |个人分类:你不知道的|系统分类:科普集锦

说到核反应,你脑子里会立刻联想到什么,原子弹,广岛,核污染,放射性?还是清洁能源?
日本的广岛和长崎,美国三里岛,苏联的切尔诺贝利核电站,在这些大规模的核反应中死了很多人,核泄漏污染了大面积地区,我们无法简单的忘记这些历史。核污染核废料问题也没有得到彻底的解决,但核能又能提供巨大的能量。那我们,你我小市民,怎样看待核能,是支持,反对,还是其它?
让我们先看一张照片,这是一个核电站。别搞错了,高的小蛮腰的烟囱似的建筑不是核反应堆,它只是冷却塔,反应堆在后面那个圆顶的建筑里。核反应堆跟原子弹爆炸的物理机制一样,都使用铀235或者钚239作燃料,发生链式反应。每个原子核裂变放出两个或三个中子,这两三个中子碰撞其他原子核又导致进一步裂变,放出更多的中子,于是一瞬间发生所谓的雪崩反应。原子弹就是这样,雪崩反应在百万分之一秒内发生,巨大的能量瞬间放出来。而核电站的反应堆,每次核裂变放出的两个或三个中子,只有一个中子能被另外一个核吸收,导致它发生裂变,反应本身能持续下去而有不至于发生雪崩式的反应。在反应堆里,能量被持续的放出来,把水加热,产生蒸汽,这些蒸汽用来推动叶轮,产生电力。天然气或者煤炭用同样的方法在电厂里加热水产生蒸汽来发电,一个大型的反应堆可以产生一个大型电厂的发电量,百万千瓦。一个家庭用电一千瓦,它就可以供一百万个家庭正常用电。美国有用总电量的20%是从她的104个核电厂发出来的。
有些人问了,用蒸汽不是瓦特的办法么,好像没什么高科技阿,对了,真的没有,也许有一天我们能从核反应里直接发电,但现在看来,蒸汽是最有效的办法。事实上,核潜艇也用蒸汽机。与常规动力(比如烧柴油的)的潜艇的本质区别是,核动力潜艇的能量浓缩了上百万倍,而且,它燃烧不需要氧气,它发的电一部分用来分解水,从而获得船员的所需的氧气,氢气这时候作为废气被排出。
 
 
让我们看一下核电站的内部。首先是反应堆,装在一个厚重的铅瓶里,封装在厚厚的水泥建筑里,原因很简单,一旦有意外发生,这些防备设施能尽量避免核污染泄露到环境中去。水在反应堆里被加热到过热,到蒸汽炉里产生高温高压水蒸气,推动发电机,产生电力。
核反应堆和原子弹都使用核燃料,但其纯度是不同的,这是两者的根本区别。自然界的铀238的含量是99.3%,它是稳定的,不能做核燃料,而铀235是不稳定的,浓度是0.7%。要使核反应顺利进行,铀238要被除去,这样它就不会吸收核裂变产生的中子而使反应停下来。核反应堆就不一样,因为我现在在芝加哥大学访问,所以要多说几句。人类第一个核反应堆就在这里,费米在曼哈顿工程中建的,而他用的燃料,就是没有提纯过的铀。没有提纯过也行的啊?
 
关键在于铀238,虽然它对高速中子的吸收效率很高,但对慢速的中子几乎没什么吸收作用,所以只需要用适当的方法把中子速度降下来就好了。费米使用了所谓的缓冲剂,石墨,把铀燃料柱插入石墨做成的蜂窝状的缓冲剂里,裂变产生中子大多数进入石墨,跟石墨的原子(碳)碰撞而减速,又回到铀燃料中,因为这时候速度慢下来,被铀238吸收的可能性就小多了,剩下来不到二分之一得中子去激发进一步的铀235发生核裂变。石墨和铀燃料的相对浓度可以调节,从而控制反应的速度。
如果你觉得这个太复杂了,你只需要知道,如果能顺利的减速中子,我们不需要提纯U235来使核电站获得燃料。
切尔诺贝利核电站使用了石墨作为缓冲剂,而现代大多反应堆使用重水(D2O),美国大多数反应堆使用普通水,因为在核反应这么严肃的话题里,我们把普通水叫做轻水。这里有个小问题,普通水会吸收中子,而变成(D2O),链式反应就停掉了。为了防止这一点,反应堆使用了初步提纯的铀235(3%)的燃料。这个量级的浓度叫做反应堆级,相对的是核爆炸级,重要的是,反应堆级的铀燃料是不能引起核爆的。这样你就能理解为什么美国会紧张伊朗或者朝鲜研究轻水反应堆了,因为轻水反应堆要用到浓缩铀燃料,而浓缩铀燃料的技术可以用于进一步浓缩而得到原子弹的燃料。
那么核电站能像原子弹一样爆炸么?
如果反应堆的链式反应失控,是不是每个核电站都是一个随时可以爆炸的原子弹?电站周围居民的安全是不是完全依赖于操作人员的尽职尽责?欧洲发生过好几次因为这些潜在的危险,在当地居民的反对下关闭了核电站的例子。对核爆炸的恐惧从小说到电影,到底怎么样呢?
先给一句话的结论,核反应堆不能像原子弹那样爆炸。
对核能的歧视是不正确的,得出这个结论不是因为对核电厂操作规程的依赖,而是因为其中的物理基础。核电厂会有一些潜在的危险,但绝对不是核爆炸。根本问题在于,核反应堆燃料中所含的丰富的铀238来吸收链式反应所需要的中子,如果没有缓冲剂,反应就会停止。那么有缓冲剂了,反应堆会不会失控呢?这倒有可能,1986年的切尔诺贝利核电站事故,就是这样。事实上,反应堆如果失控,积蓄的能量会把反应堆炸开,中子会迅速的丢失,以至于不能发生进一步的核反应。核爆炸不同,原子弹使用了纯的铀235,雪崩式反应可以直接用快中子激发。切尔诺贝利核电站的问题在于,由于工作人员失误,反应堆的能量破坏了反应塔,作为缓冲剂的石墨开始燃烧,核反应本身其实很快停下来,然而燃烧产生的热气携带了很多放射性物质飘到空气中,造成了当地的巨大损失。核电厂是有可能爆炸,但跟炸弹的不同,更与原子弹的爆炸不同,它的危险性在于放射性污染,有可能造成更大的破坏和影响。


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