核能的利用与发展

核能的利用与前景

摘 要 本文简要介绍原子核的质量亏损和结合能、核子的平均结合能与规律等核能利用原理及核能发电、供热的应用，并对核能聚变前景进行展望。

关键词 核能 质量亏损 结合能

1、引言【1】

人类赖以生存的地球,正在超负荷运行。不仅人口在增长,而且社会发展对能源的需求正以惊人的速度增长。而靠大量燃烧石化燃料获得能源的同时,也给现代社会带来了许多难以解决的灾难性问题：能量资源短缺,森林植被遭破坏,大气、水系、土壤被污染,二氧化碳增多导致的温室效应使自然灾害增多等等。在保护和改善环境的前提下开发利用新兴能源,是人类生存和社会发展的必然趋势。20世纪30年代,随着对原子核研究的深入,人类发现了原子核内蕴藏着巨大的可开发的能量,并开始和平利用原子能的研究。经半个多世纪的努力,迄今世界上已有30多个国家建造核电站440多座,发电量占全球的18%。与火电相比,核电是廉价、洁净、安全的能源。随着将来受控热核聚变的成功,核能必然成为未来的能源支柱。

2、原理

2.1、原子核的质量亏损和结合能【1】

原子核都是由质子和中子组成的,质子和中子统称核子。实验数据发现任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子的质量和,也即核子在组成原子核的过程中,发生了质量亏损,其亏损等于核子结合为核时质量的减少,用△M 表示。

根据爱因斯坦质能方程2E mc =,可知自由核子在结合成原子核时要释放能量,这个能量称为原子核的结合能B 。2()p n B ZM NM M C =+-,其中M p 、M n 、M 分别为质子、中子、原子核的质量。

2.2、核子的平均结合能与规律【1】

质子和中子结合为原子核时放出

的总能量除以质量数A,称为核子的平

均结合能E 。其物理意义是自由核子结

合成原子核时平均每个核子释放的能

量;也可以理解为核分散成核子时,外

界必须对每个核子作功的平均值。E 的

大小可以表征原子核稳定的程

度。平均结合能越大，表示这些

原子核越稳定。核子数较小的轻

核与核子数较大的重核，平均结

合能都比较小，中等核子数的原

子核，平均结合能较大，表示这

些原子核较稳定。当平均结合能

较小的原子核转化成平均结合

能较大的原子核时，就可释放核

能。

图1中表示出各种不同核的平均结合能对质量数A 的分布曲线。从曲线图分析可知中等原子核的平均结合能较大,轻核和重核的平均结合能较小。这说明当一个重核分裂成两个中等质量的原子核时或者当两上很轻的核聚合成一个较重的核时,将有能量的释放,此能即为原子能,又称核能。重核的裂变和轻核的聚变是获取原子能的两条主要途径。

2.3、核裂变【2】

核裂变，又称核分裂，是指由重的原子（铀y óu 或钚b ù）分裂成较轻的原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站或是核能发电厂的能量来源都是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，加

热后铀原子放出2到4个中子，中子再

去撞击其它原子，从而形成链式反应而

自发裂变。如图2所示。

2.2、核聚变【2】

核聚变是指由质量小的原子

（主要

图1：平均结合能图 图3

：核聚变示意图

外来中子 铀-235 裂变 辐射 中子 链式裂变反应 图3：裂变反应示意图

是指氘或氚）在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式，如太阳发光发热的能量来源。如图3所示。

3、核能的利用

核能对军事、经济、社会、政治等都有广泛而重大的影响。在军事上，核能可作为核武器，并用于航空母舰、核潜艇等的动力源；在经济上，核能可以替代化石燃料，用于发电；可以作为放射源应用于医疗等。【3】

3.1、核能发电【4】

利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似,只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。

核电之所以能成为重要的能源支柱之一，是由它的安全性、运行稳定、寿期长和对环境的影响小等优点所决定的。大部分核电发达国家的核能发电比常规能源发电更为经济。

3.2、核能供热【3】

核能供热是20世纪80年代才发展起来的一项新技术，这是一种经济、安全、清洁的热源。发展核反应堆低温供热，对缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有十分重要的意义。核供热是一种前途远大的核能利用方式，不仅可用于居民冬季采暖，也可用于工业供热。特别是高温气冷堆可以提供高温热源，能用于煤的气化、炼铁等耗热巨大的行业。核能不仅可以供热，还可以用来制冷，通过低温供热堆进行的制冷试验已成功。

4、结束语——聚变能利用的探索

福岛核电站事故的发生，又一次引发了人们对核能利用的广泛讨论，许多人极力反对核能的继续使用。但我们必须认清人类发展的现状——人口爆炸与能源短缺。化石燃料使用殆尽，其他新型能源如风能、太阳能、潮汐能等还无法满足全人类的能源需求，只有核能的利用能解决当前的问题。所以核能不但不能放弃，还需要更进一步的开发利用——聚变能。

释放原子能的另一个有效途径是利用轻核的聚变反应。把两上或多个较轻的原子核工业结合成较重的原子核的现象即为原子核的聚变。由前图分析可知,在

轻核区核子的平均结合能上升最快。,因此轻核聚变释放的原子能巨大,目前的聚变研究集中在轻核区。

但是和平利用聚变能还很难实现。因为核力是一种短程力,只有当他们之间的距离接近到大约万分之一毫米时,核力能才起作用,使两个原子核聚合在一起,放出巨大的能量。而所有的原子核都带正电,两个带正电的原子核互相接近时,他们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力,使两核之距进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6×108k。在这样的高温下,气体早已离化成原子核和电子的集合体——等离子气体,所以实现聚变的难度很大。在当前技术条件下,在地球上能表现的大规模释放轻核聚变能的方法,只有用原子弹触发的氢弹的热核热核反应的设想。当前研究中的受控热核反应有两种以上主道方式。一种是磁约束方式,将氘核放置在强磁场中,注入能量后使其升温,由于此时的氘原子将离化为等离子体,这种带电的粒子将在磁场作用下“拐弯”,而不能脱离磁场,可将“等离子体”拘束在某一范围内。另一种约束方式是惯性约束,实际上是不附加任何的约束,仅靠自身的惯性,在极短的时间内维持相对不动,设法使某一氘和氚混合的小球堆迅速升温升压,实现热核爆炸而释放能量。

受控热核反应的研究正在探索之中,但相信再过几十年聚变能核电站一定能实现,人类将享用“取之不尽、用之不竭”的聚变能源。

参考文献

【1】李生莲. 核能的原理和利用. 运城学院学报, 2003, 05: 22-23.

【2】/view/22222.htm

【3】/forum.php?mod=viewthread&tid=231693

【4】/focus/EarthDay2009/2009-04-14/1239690586d23966.html