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核反应方程式写法(1公斤铀235裂变后能释放多少能量)

前言

在早期人类懂得利用工具进行狩猎之后,人类先是利用木棍、石块进行攻击、慢慢地学会了将石块打磨锋利,开始进入了冷兵器时代

所谓冷兵器就是指靠物理攻击而不是靠利用化学物质来进行打击敌方的武器,例如,刀、剑等铁制钢制武器。

这些武器适用于当时的时代,在随着时代的变迁,人们对于世界的认识更深刻,制作的武器也变得威力更大,逐渐产生了热武器

冷兵器

这种变化在近代战争中,尤为突出。人们渐渐抛弃了冷兵器的使用,更加依赖热兵器,即炮弹等利用火药的爆破作用来攻击敌方的武器,而在这些爆破武器中,以核武器最有杀伤力。那么核武器的威力是由什么产生的呢?

核武器中的铀‍

核武器(nuclear weapon)是利用能自持进行的原子核裂变或聚变反应瞬时释放的巨大的能量,产生爆炸作用,并具有大规模毁伤破坏效应的武器。主要包括裂变武器(第一代核武器,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。

裂变武器,即原子弹,就是通过核裂变时产生的能量进行攻击,利用的是核裂变,一般进行核裂变的是铀元素、钚元素这种重元素。

核武器爆炸

核裂变有两种方式,一个是人工的用中子撞击原子核,原子核在吸收这个中子之后,就会分裂成两个或两个以上的原子核,并且在释放能量的同时,释放出更多的中子使其他的原子核也开始裂变,产生链式反应;另一个就是自发裂变发生的条件严苛、发生概率很小

聚变武器,例如氢弹,也是与它的名字一样,是依靠核聚变反应提供的能量。与核裂变不同的是,发生聚变的难度更高,同时与难度相匹配的是,聚变产生的能量更多,威力也更大。

核裂变

在普通人的眼里,核武器多指原子弹,而原子弹多由铀的同位素——铀235来充当能量来源地。

铀共有七种同位素,但在这其中并不都是天然形成的,只有三种同位素属于天然形成的同位素,分别是铀235、铀238、铀234。它们的含量也有所不同,这三种同位素在自然界中含量最多的是铀238占了99.275%,其次是铀235,占了0.72%,含量最少的是铀234,只有0.006%,简直少的可怜。

但就是这含量小小的铀235在爆发时,却有着大大的威力。一颗原子弹铀含量在11 kg或15 kg左右,就以“小男孩”举例,它的陆地爆炸面积为10 km,空中爆炸面积为50 km,在爆炸中心的事物将化为灰尘,而在核武器更为发达的现在,一颗原子弹的威力相比于这个数据只增不减。

被“小男孩”原子弹轰炸后的广岛

那么我们难免会想到一个问题,如果是一公斤的铀235裂变会产生多少能量呢?

铀235裂变产生多少能量?‍

铀裂变,是指铀的同位素——铀235发生核裂变,因为在铀的同位素中,只有铀235能够发生裂变。

铀裂变也同我们上文提到的核裂变的过程相似,都是由于中子撞击使原子核分裂产生能量。

核反应方程有U+n→Nd+Zr+3n+8e+(ν-,反中微子)、U+n→Sr+Xe+2n、U+n→Ba+Kr+3n。

这三个方程式是最主要的三个方程。根据这些方程来看,在核裂变的结束,铀原子核最终有可能会形成钕和锆、锶和氙、钡和氪等原子核。由于在反应前后,质量减少了,这些减少的质量都变成了释放出去的能量。

铀235发生核裂变

那么假如一公斤的铀235发生裂变会产生多少能量呢?

当一个中子撞击在铀原子核上,铀原子核就会分裂成两个较轻的新原子核,和一些中子及射线,并产生能量,生成的中子继续撞击其他的铀原子核,形成循环往复的链式反应,源源不断地产生能量。

据统计一个铀元素裂变产生的能量在3.2*10 ^-11焦耳的能量,我们根据化学公式计算可得出一公斤的铀大概有2.56 x 10^24个原子,两者相乘就得出一公斤铀裂变产生的能量,即为8.2 x 10^13焦耳的能量。

假如把这些能量换算成其他物质产生的能量,例如我们最常见的化石能源——煤炭,一公斤铀裂变产生的全部能量大概相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量,从这可以看出,铀是一个高能物质,而铀裂变产生的核能也是我们当今世界的清洁能源之一,因此我们对于铀是有着需求的。

铀裂变产生大量的能量

既然铀235有着这么强大的核能储备,我们现在对它进行大规模开采了吗?而地球上又有着多少铀可供我们开采?

我们从上文中知道只有铀235才可以进行核裂变进而产生我们所需要的核能,但是铀235的获取难度大吗,铀矿都集中分布在哪?关于铀储量我们有着许许多多的问题。

地球上的铀可供使用的时间‍

地球上的资源分为两大类,一类是可再生资源,指在一段时间内取之不尽用之不竭的能源,但也不是可以随便取用的,要有节制的使用,例如,风能、水能、太阳能、地热能等;

风能

另一类是不可再生资源,指我们在开发利用之后,在很长一段时间内都不会再生的自然资源,例如,煤炭石油等化石能源、金银铁铜等矿石资源,还有土壤也属于不可再生资源,而我们今天谈到的铀就属于不可再生资源中的矿石资源。

属于不可再生资源的铀,我们要更加谨慎使用,因为它是不可再生的,所以用一点就少一点。

根据目前的资料来看,全世界已探明的铀大概是700多万吨,其中铀235的占比约为0.7%,如果按照目前人类的平均使用量来计算,那么这些铀矿中的铀235只够支持人类使用80年左右。

虽然我们有可能在后续的发展中,陆续地找到其他的铀矿,但很显然除非我们后续发现的铀矿是特大型且铀235含量很高,否则仅仅是地球上发现的铀矿中的这些铀235是远远不够用的。

况且,随着我们科技的发展,对于能源的需求量也逐日递增,80年仅仅只是一个以最低能源使用强度计算来的最大数值。

但我们上述数据中计算铀储量时,忽视另一块广袤的地区——海洋。在海洋中存在这多种元素,但都存在在海水之中,铀也不例外。

虽然海水中铀的浓度很低,仅有十亿分之三至十亿分之四,但是由于海水本身的体积大,科学家们估计海水中总共铀含量约有40亿吨,是陆地含量的五百多倍

检测海水中铀的浓度

但也因为海水中铀浓度很低,导致我们想要从海水中提炼出铀的难度很大截止到目前为止,还没有一个国家成功实现具有成本效益的海水提铀的方法。

虽然我国早在1970年就通过海水提铀,提取了30克的铀,成为了首个通过海水提取到铀的国家,但是对于将海水提铀变为一个有商业可行性的措施仍没有较好的解决办法。

不过虽然现在还没有方法去解决这个问题,但就看最近国际上在这方面的取得的种种突破,我们能够相信在未来也一定有解决这个问题的办法。

除了这个方法之外,就目前来说还有一个具有可行性的办法可以提高铀235在地球上的储量。

使用PPH-OP凝胶海水提铀

铀238 的蜕变——快中子增殖反应堆‍

铀238在人们所探明的铀矿中,占了99.275%,几乎探明的所有铀矿都是它。因此,科学家们想到了利用铀238来产生可发生裂变的铀235或钚-239,因此就形成了快中子增殖反应堆技术。

快中子增殖反应堆是一种以快中子引起易裂变核铀-235或钚-239等裂变链式反应的堆型。

利用的是将一个中子打入铀238中,使铀238变成可发生裂变的钚239,在链式反应中不断地提供发生裂变的原料。并且值得一提的是,在运行过程中,铀235和钚239的消耗速度要小于钚239的生成速度,实现了产大于耗,在这个反应堆中,原料越变越多,因此这个反应堆就叫做增殖反应堆。

快中子反应堆示意图

相比于海水提铀,这个反应堆更容易实现,并且与其他反应堆型相比,它更加符合现实的需求,更广泛地在世界各处推行。

截止到目前,全世界共有快中子增殖反应堆21座,提供的用来照明、发电的能源更是不计其数。

但它也有着不可忽视的缺点,由于在反应过程中产生的是可制作核武器的钚239,因此一旦反应堆发生泄露,就会产生非常大的危害,有着较大的安全风险

钚239危害性大

而说到核裂变就想起了名字相似的核聚变,核聚变产生的能量要比核裂变更多,为什么我们至今用的是核裂变功能而非核聚变呢?

与核裂变“一母同胞”的核聚变‍

核聚变,核是指由质量小的原子,主要是指氘,只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚,让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核(如氦),在这个碰撞过程中,大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

从定义上来看,核聚变和核裂变的原理相反,相同的也仅仅是在结果方面类似,都产生大量的能量,且核聚变的能量更强。

核聚变原理

从原料上看,核聚变的原料是取之不尽用之不竭的,它的原料是全宇宙最多的元素——。核聚变最频繁发生的场所就是太阳,太阳内部的高温高压的环境非常适合核裂变的发生,太阳内部的核聚变每秒都要消耗几百万吨的氢

但核聚变的脾气很“暴躁”,以我们现在的技术水平并不能实现可控性核聚变,实现可控核聚变就要实现高温高压的其中一种,而无论是高压还是高温,以我们目前的能力都不能做到,因此,实现可控核聚变还在我们未来的计划中。

太阳时刻都在进行核聚变

结语‍

根据本文内容,我们知道了作为原子弹爆炸能量来源的铀235裂变产生的能量是多么可怖,仅仅一小块仅一公斤重的铀235裂变产生的能量为8.2 x 10^13焦耳,能比拟2700吨标准煤燃烧产生的能量。

地球上探明的铀储量总共有700多万吨,其中所含有的铀235能够让我们使用80年左右。虽然铀235储量少,不能够满足我们的长期使用,但我们也有着相应的办法解决这个问题。

同时,我们也了解到了比核裂变更恐怖的力量——核聚变,虽然以我们现在的能力还不能实现可控核聚变,但我们知道人类的能力总是在不停地向前进步的,相信未来总有一天能够实现这一目标。

核聚变实验装置

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