化学 - 核能

介绍

• 核反应释放巨大的能量（称为核能），核电站利用核能发电。

• 核能通常由**核裂变、核聚变**和**核衰变**产生。

• 1938年，德国化学家奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼和奥地利物理学家莉泽·迈特纳进行了一系列实验，研究了中子轰击铀后的产物。实验结果表明，相对较小的中子将巨大的铀原子核分裂成两个大致相等的部分，并释放出巨大的能量。

• 奥托·哈恩及其同事的核实验被称为核裂变。

核裂变

• 核裂变过程产生自由中子和伽马光子，同时释放出大量的能量。

• 核裂变是一个放热反应，可以以电磁辐射和动能的形式释放大量能量。

• 核裂变有时可以自然发生（即无需中子轰击），作为一种放射性衰变。

核裂变类型

• 以下是主要的核裂变类型：

  • 链式反应和

  • 裂变反应

让我们简要讨论一下它们：

链式反应

• 当一个核反应导致一个或多个后续的核反应时，就被称为链式反应。

• 这种链式反应增加了自发传播的核反应系列的可能性。

• 核链式反应比任何其他化学反应释放的能量要多出数百万倍，因此也称为爆炸性或不受控制的链式反应。

• 当一个重原子发生核裂变时，它通常会分裂成两个或多个裂变碎片。在此过程中，会释放出一些自由中子、伽马射线和中微子，最终释放出大量的能量。

• 以下是两个链式反应的例子：

  • ²³⁵U + 中子 → 裂变碎片 + 2.4 个中子 + 192.9 MeV

  • ²³⁵Pu + 中子 → 裂变碎片 + 2.9 个中子 + 198.9 MeV

• 原子弹利用了链式反应技术，因为它需要持续的能量来源。

裂变反应

• 裂变反应中，中子（由燃料原子的裂变产生）被用来诱导更多的裂变以释放可持续的能量，这种反应被称为裂变反应。

• 这种反应缓慢且可控，因此也称为可控链式反应。

• 发电的核反应堆是可控链式反应的理想例子。

• 根据性质和用途，裂变/可控链式反应被分类为：

  • 动力堆

  • 研究堆

  • 增殖堆

• 这些动力堆通常将裂变产物的动能转化为热能；此外，热能被用来加热工作流体，驱动热机，最终产生机械能或电能。

核反应堆的基本部件

• 以下是核反应堆的基本部件：

  • **核燃料** - 如铀（²³³U、²³⁵U）、钍（Th²³²）、钚（Pu²³⁹）。

  • **慢化剂** - 用于控制发射的中子。例如重水、铍、石墨等。

  • **冷却剂** - 用于冷却反应堆。例如水、蒸汽、氦、CO₂、空气、熔融金属等。

  • **控制棒** - 用于启动和停止裂变反应。例如镉或硼棒用于此目的。

核聚变

• 两个轻核融合成一个重核的过程称为核聚变；在此过程中，会释放出巨大的能量，称为核能。

• 核聚变的最佳例子是氢弹。

• 氢弹的威力大约是原子弹的1000倍。