我們?nèi)粘J褂玫哪芰浚泻芏嗍嵌紒碜曰瘜W(xué)反應(yīng),也就是所謂的化學(xué)能,從微觀角度來看,化學(xué)能只涉及到原子的外層電子,然而在原子內(nèi)部的原子核中,其實(shí)還蘊(yùn)藏著比化學(xué)能強(qiáng)大得多的能量——核能。
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從理論上來講,核聚變和核裂變都可以釋放出大量的核能,雖然人類目前還不能對核聚變釋放出的核能進(jìn)行有效地控制,但在核裂變領(lǐng)域,人類也已經(jīng)可以算是小有成就了。
就目前的情況來看,世界各地已建成數(shù)百座以核裂變?yōu)榛A(chǔ)的核電站,而這些核電站主要使用鈾-235來作為核燃料。
那1公斤鈾-235釋放出的能量有多大呢?我們可以來算一下。
簡單來講,讓鈾-235原子核發(fā)生裂變,通常是用中子轟擊它們,使其分裂成兩個較輕的“碎片”,在此過程中,參與反應(yīng)的極少一部分質(zhì)量會以能量的形式釋放出來。
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根據(jù)已知的測量數(shù)據(jù),雖然鈾-235有多種不同的裂變分支(如上圖所示),但其釋放出的能量都相差不大,其平均值約為200MeV,也就是3.2 x 10^(-11)焦耳。
另一方面,1摩爾鈾-235的質(zhì)量為235克,其中包含了6.02 x 10^23個原子,而1公斤就是1000克,據(jù)此我們就可以計(jì)算出,1公斤鈾-235的原子數(shù)量大約為2.56 x 10^24個。
將這個原子數(shù)量與前面計(jì)算出的平均值相乘,就可以得到,在全部完成裂變的情況下,1公斤鈾-235能釋放出大約8.2 x 10^13焦耳(82萬億焦耳)的能量,作為對比,標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值大約每公斤29307千焦,也就是說,這大概相當(dāng)于燃燒2798噸的標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的化學(xué)能。
據(jù)此我們也可以清楚地看到,核能實(shí)在是太香了。但問題是,鈾資源畢竟是有限的,用一點(diǎn)就少一點(diǎn),那地球上的鈾,人類還能用多久呢?我們接著看。
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目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,全球已探明的可開采鈾資源有近800萬噸,然而在它們之中,能直接用來作為核燃料的鈾-235卻只占很少一部分(相對豐度約0.7204%),而其他的絕大多數(shù)都是鈾-238(相對豐度約99.2742%),除此之外,還有微量的鈾-234(相對豐度約0.0054%)。
根據(jù)科學(xué)家的估算,按照人類目前的消耗量,如果只是使用其中的鈾-235,那已探明的可開采鈾資源就只能維持百年量級(80至120年)。不過好消息是,科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種可以將鈾-238利用起來的技術(shù)。
這種技術(shù)被稱為“快中子增殖”,其原理簡單來講就是,我們可以讓一個中子被鈾-238原子核捕獲,生成鈾-239,這個鈾-239很不穩(wěn)定,會在短時間內(nèi)發(fā)生β衰變(半衰期約23.5分鐘),從而變成镎-239,而镎-239仍然很不穩(wěn)定,它會再次通過β衰變(半衰期約2.35天)形成钚-239。
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由于钚-239與鈾-235一樣易于發(fā)生核裂變,兩者發(fā)生核裂變時釋放出的能量也大致相當(dāng),并且其半衰期還足夠長(約2.41萬年),因此钚-239本身,其實(shí)就是一種優(yōu)質(zhì)的核燃料。
科學(xué)家樂觀地認(rèn)為,隨著“快中子增殖”技術(shù)的發(fā)展和完善,在不太遙遠(yuǎn)的未來,我們對鈾資源的利用效率將提高60倍以上,而這也就意味著,僅憑全球目前已探明的可開采鈾資源,人類就可以使用數(shù)千年的時間。
值得一提的是,在地球的海洋中還有大量的鈾資源,平均每升海水中就含有大約3.3微克的鈾,其總量可以高達(dá)40多億噸。
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盡管目前人類還沒有能力從海水中大量提取鈾資源,但可以想象的是,隨著科技的進(jìn)步,人類遲早會有這種能力,到那個時候,人類就更不用為鈾發(fā)愁了。
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