第九章核能的和平利用

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1、第九章核能的和平利用20世纪是人类文明迅猛发展的重要阶段，但这种发展主要依赖无节制地开发利用煤、石油、天然气等化石燃料的自然资源。而这些有限的、不能再生的自然资源无法长期满足日益增长的世界能源需求。据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足2万亿桶，可供人类开采的时间不超过100年，石油和天然气将在21世纪末趋于枯竭。尽管煤炭资源相对比较丰富，据世界能源大会提供的资料，世界煤炭的探明可采储量约为9.842×1011t，但也只可供人类开采200余年。到2500年左右化石资源将消耗殆尽。在人们将这些化石资源转换成能源并加以利用的同时，也给地球上的生态环境造成了严重

2、破坏，使人类生存空间受到了极大的威胁。如人类大量消耗的有机矿物，每年向大气排放的二氧化碳多达2.10×1010t，并随着工业的快速发展呈明显上升趋势，而且还伴随有其它有毒物质SO2、NOx产生，给人类的生存环境带来了巨大的灾难。随着世界经济的迅速发展，能源生产与消费之间、能源与环境之间的矛盾越来越大，有限的能源储量已无法满足人类日益增涨的需求，能源形势越来越严峻。为了应对能源供应紧张和能源消耗过程中带来的生态环境恶化等情况，应充分利用现有传统能源、研究节能新技术、积极开发新能源，开展能源与环境的关系研究。新能源是相对于传统能源而言的，通常是指核能（裂变能和聚变能）、风能、

3、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能、海水温差发电等。此外，对于能提高能源利用效率和改变其使用方式的技术如磁流体发电、煤的汽化和液化等，则是新的能量转换技术，也属于新的能源技术范畴。当今，石油价格的上涨和科技的进步，促进了新能源的开发和利用。尽管风能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能、海水温差发电等绿色能源越来越引起科学家们的重视，但是，上述这些能源由于受地理位置、气候条件等诸众多因素限制，很难在短期内实现大规模的工业生产和应用。目前，只有核能才是一种可以大规模使用且安全经济的能源。核能主要有两种，即核裂变能和核聚变能。它们的可利用资源非常丰富，其中可开发的核裂变燃料资源（含

4、钍）可使用上千年，核聚变资源可使用几亿年。裂变核能至今已有了很大发展。由于核裂变发电用核燃料的生产及发电过程中产生的核废物危害性较大，相对于核裂变，核聚变更清洁，因此，科学家们普遍看好的是利用可控核聚变反应所释放的巨大能量来产生电能。核聚变发电目前仍处于研究开发中。目前，世界上许多国家和地区都在大力发展核裂变发电，并积极开展国际合作，促进核聚变发电的实现。本章将简单介绍核能的来源、类型及核能的非军事应用。36第一节核能的来源及核能发电的特点众所周知，原子核是由中子和质子组成的。一个原子的质量应该等于组成它的基本粒子的质量的总和。但是，实际上并不是这样简单。通过精密的实验测

5、量，人们发现，原子核的质量总是小于组成它的质子和中子质量之和。例如，氦原子核是由2个质子和2个中子组成,外面有2个电子。氦原子的质量应该是：mHe＝2m质子＋2m中子＋2m电子＝2×1.00728＋2×1.00867＋2×0.00055=4.033u其中，u为质量单位，1u=1.66×10-24克。但经实验测得的氦原子的质量mHe=4.00260u，比组成它的基本粒子总质量少了0.0304u；再如238U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239.986u。但直接测量得的238U的原子质量却是238.051u，少了1

6、.935u。像上述这种质量减少现象在其它原子核中同样存在。人们将这种现象称为“质量亏损”。根据爱因斯坦的质能关系式E＝mc2，核反应过程中质量的减少，必然伴随着能量的放出，即△E=△mc2。这种由若干质子、中子等结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能，即核能。一般化学反应仅是原子与原子之间结合关系的变化，原子核结构并不发生改变。由于核子间的结合力比原子间结合力大得多，所以核反应的能量变化比化学反应要大几百倍。如用4g氢完全燃烧时放出的热量大约可以把1kg水烧开，而在合成4g氦原子的核反应中，放出的热量可以把5.0×103t水烧开，两者释放出的热相差达到五百万倍；

7、再如1kg235U裂变时可放出相当于2.7×103t标准煤的能量；1kg氚发生聚变反应所放出的能量更大，相当1.1×104t标准煤或8.6×103t汽油燃烧后的热量。核能包括核裂变能、核聚变能、核素衰变能等。其中主要的核能形式为核裂变能和核聚变能。核裂变能是重元素（铀或钍等）在中子的轰击下，原子核发生裂变反应时放出的能量；核聚变能是轻元素（氘和氚）的原子核发生聚变反应时放出的能量。下面主要介绍这两种核能形式的产生。一、核裂变能某些重核原子如235U等，在热中子的轰击下，原子核发生裂变反应，产生质量相差不多的两种核素和几个中子，