核聚变问题

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一、核聚变问题

氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。

简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2.

原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来.

只要微量的质量就可以转化成很大的能量.

两个轻的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。

最重要的聚变反应有:

式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:

即每“烧’掉6个氘核共放出43.24MeV能量,相当于每个核子平均放出3.6MeV。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。

核聚变能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以有锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此,核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。

在可以预见的地球上人类生存的时间内,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要说来,是无限丰富的,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方面为人类展现出美好的前景。

典型的聚变反应是

411H—→42He+20-1e+2.67×107eV

21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV

21H+21H—→31H+11H+4×106eV

31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV

后三个反应的净反应是

521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV

即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。

氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。

要使原子核之间发生聚变,必须使它们接近到飞米级。要达到这个距离,就要使核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力。要使核具有足够的动能,必须把它们加热到很高的温度(几百万摄氏度以上)。因此,核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。

受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料,海洋是氘的潜在来源,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂变反应的办法,并建成了裂变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站,但并不如此简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应:

31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV

也只能在极高的温度(>4000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。我国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工作,也取得了许多重要的进展。

二、什么是核聚变

    核聚变,即氢原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时放出巨大能量。

热核反应[1],或原子核的聚变反应,是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核,如氢(氕)、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应(参见核聚变)。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在瞬间产生大量热能,但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。

三、原子能的简介

核能的获得主要有两种途径,即重核裂变与轻核聚变。U-235,有一个特性,即当一个中子轰击它的原子核时,它能分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2—3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。

如果有一个新产生的中子,再去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变,以此类推,这样就使裂变反应不断地持续下去,这就是裂变链式反应,在链式反应中,核能就连续不断地释放出来。 与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂(Li-6)完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻,即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。

例如,两辆完全相同的汽车,都是5吨,一辆在运动,一辆是静止的,如果运动的车一旦与静止的车发生碰撞,猛然停止时,动能虽然失去了,可我们发现,汽车在相撞处变得很热。这是什么原因呢?汽车的动能转变成了撞击点金属的热能。但是,原子能比化学反应中释放的热能要大将近5000万倍:铀核裂变的这种原子能释放形式约为2亿电子伏特(一种能量单位),而碳的燃烧这种化学反应能量仅放出4.1电子伏特。原子能是怎样产生的呢?铀核裂变以后产生碎片,但所有这些碎片质量加起来少于裂变以前的铀核,那么,少掉的质量到哪里去了,就是因为转变成了原子能。爱因斯坦用E=mc²的公式来表示,即:能量等于质量乘以光速的平方。由于光速是个很大的数字(c=299792458m/s),所以质量转变为能量后会是个非常巨大的数量,释放的能量为ΔE=Δmc²。在核反应过程中,原子核结构发生变化释放出的能量,又称核能,20世纪30年代末,科学家发现,用中子轰击铀原子核,一个入射中子能使一个铀核分裂成两块具有中等质量数的碎片,同时释放大量能量和两三个中子;这两三个中子又能引起其他铀核分裂,产生更多的中子,分裂更多的铀核.这样形成的自持链式反应,可在瞬间把铀核全部分裂,释放出巨额能量.铀235可以被任何能量的中子特别是运动速度最慢的热中子分裂.铀238只能被运动速度很快的快中子分裂,对慢中子和热中子则只俘获不分裂.通常所说的核裂变,主要指铀235核分裂.一个铀235核分裂释放的核裂变能为2亿电子伏特.这是原子核结构发生变化的一种方式,叫裂变反应.另外一种方式叫聚变反应.如一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核释放出的核聚变能为1760万电子伏特.以相同质量的反应物的释能大小作比较,核裂变能和核聚变能分别是化学能的250万倍和1000万倍,1千克铀-235相当于2500吨煤,1千克氘和氚相当于1万吨煤. 在50多年前,科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂,同时放出2—3个中子和大量的能量,放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多,这就是核裂变能,也就是我们所说的核能。

原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用,而核电反应堆也是利用这一原理获取能量,所不同的是,它是可以控制的。 两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核,同时放出巨大的能量,这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部,因压力、温度极高,轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行,故称为“热核聚变反应”。

氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用,正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理,它与氢弹的最大不同是,其释放能量是可以被控制的。 谁都知道,用放射性来治疗癌症是很有效的。美国的医生就曾用一种金属制的弹丸,使其具有放射性,然后利用特别的枪把弹丸射入根深蒂固的肿瘤里面。

割除癌性肿瘤后,外科医生用具有放射性的钴丝缝合创口,不仅可以起到一般缝合的作用,而且还有放疗杀癌细胞的功能,可谓一举两得。

使用放射性可追踪碳原子在生命过程的行踪。如让老鼠吃有放射性碳(碳14)的糖,则通过盖革计数器可侦察到糖的行踪。如果在老鼠的脂肪里找到了放射性的碳原子,就可以判断糖已经转化为脂肪了。

放射性同位素有时还帮助医生做出重要的判断。一位妇女在一次意外的事件中压伤了手臂,正躺在一家医院的手术台上等候手术。但是外科医生必须尽快查明她的手臂里是否还有足够的血液循环经过,以便决定要不要做截肢手术。医生把放射性钠,以放射性食盐的形式掺进普通的食盐里面,注进了这名妇女的血管里,然后用盖革计数器进行追踪。结果显示,这条手臂尚有相当充分的血液循环存在。因此在几秒钟内,这种放射性同位素便使医生断定无须做截肢手术。

放射性同位素对诊断癌症也很有帮助。哈佛医学院和麻萨诸塞州的许多医院,都在使用一种“正子诊察机”来检查脑瘤,而不必开颅。将少量的放射性砷注射到患者的静脉里,几小时后,带有放射性标签的砷便在盖革计数器上显现出来,并显示出何处砷的数量最多。由于癌瘤比正常的组织吸收较多的放射性砷,在大多数情况下,医生都可以准确地判断癌瘤的大小和位置。而乳癌可以利用放射性钾来诊断,因为放射性钾集中于乳瘤的部分远比其他部位多。

显然,放射性不仅可以致人于死地,也能使病人从病痛中解脱出来。 随着生物技术的发展,放射性同位素在农业上也有广泛的应用。

全美国的农民每年用于肥料上的金钱要超过1000万美元。放射性同位素可以指导他们如何利用这笔投资来获取更大的收益。对于每一种农作物,农民都可以利用放射性同位素确定何种肥料及多大施用量为最合适,并能确定施肥的最佳时机和最佳方法。以前人们一直认为植物所有的养分都是由其根部吸收的,但是利用放射性同位素作示踪剂证明,事实并非如此。果树、番茄、马铃薯以及其他植物的叶也可以迅速有效地吸收肥料。根据这种情况,农民不仅把肥料施用于土地上,也喷洒在叶子上,这样植物对肥料的吸收量大约可增加10倍以上。使用放射性同位素还可以改良植物的品种。

科学家很早就知道,植物暴露于放射线之下可以产生变异,并且这种变异可遗传给下一代。利用放射性同位素改良植物的品种已取得很大的进展。放射线使苹果、梨和葡萄等发生突变。利用这些实验,人类可以随心所欲地得到色香味俱佳的水果和蔬菜。更进一步的研究表明,科学家利用放射性进行科学育种,使有些植物可以生长在干旱地带、有些植物可以生长在多雨地区。并且在不远的将来,无论是在高寒地带,还是在土壤贫瘠的地区,都会有适宜的农作物生长。

从事植物研究的科学家已经成功地培育出大麦的新品种,该品种大麦的麦粒和麦秆的产量都很高。通过对花生的种子进行放射性处理,能使每亩的产量提高30%.此外,培育出适应某种需要的种子只需用一年半的时间,若用传统的植物育种的方法,至少要花费十年的时间,并耗用大量的资金。

放射线还是对付害虫的一种武器。雄性螺旋蝇经过钴照射后便不能生育,雌性螺旋蝇与失去生育能力的雄性螺旋蝇交配所产的卵便不能发育成虫。农业科学家已利用这种方法消灭了大量的害虫。

对于新问世的动物催肥剂是否对人体有害也可以用放射性做实验。一种新型的供猪和鸡食用的催肥剂给猪和鸡吃了以后,可减慢其甲状腺的功能,从而使猪和鸡在同样食量的情况下,生长得又快又肥。但是,在猪的肌肉里,是否含有这种催肥剂的成份?人吃了这种肉后,是否会对身体健康有影响?在烤鸡和炒蛋里面是否也含有这种催肥剂呢?这是令人担忧的问题。但是,利用放射性实验得出的答案是否定的。农民可以安全地使用这种催肥剂来增加猪和鸡的重量。

利用药物可减缓动物甲状腺功能,对人体并不造成任何损害这一原理,科学家还使母牛的性情变得温和起来,并使之产更多的牛奶。

我们正步入原子时代,人类走到了十字路口。一条路是把原子能所创造的奇迹用在和平的目的上,以谋求社会的进步。另一条路则通向地球上生命的死亡和毁灭,制造更大的更加可怕的炸弹。我们相信人类会选择前者,而不是后者。

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