核的反應(yīng)。具有核裂變的核燃料有鈾-235、鈾-233、钚-239,目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的核電廠所使用的是鈾-235。用慢中子轟擊鈾-235時(shí),就起下列裂變反應(yīng):
裂變產(chǎn)物非常復(fù)雜,已發(fā)現(xiàn)的裂變產(chǎn)物有35種元素(從30Zn到64Gd),放射性核有200種以上。
核裂變所釋放出的大量能量與質(zhì)量虧損有關(guān),可用愛因斯坦(A.Einstein)公式進(jìn)行計(jì)算
△E=△mc2
式中△E表示系統(tǒng)能量的改變量△E=∑E生成物-∑E反應(yīng)物,△m表示系統(tǒng)質(zhì)量的改變量,(△m=∑m生成物-∑m反應(yīng)物),c為光速(2.9979×108m·s-1),若以如下裂變反應(yīng)為例
141.9092、90.9056g·mol-1。
則△m={141.9092+90.9056+3×1.00867)
-(235.0439+1.00867)}g·mol-1
={235.8048-236.0526}g·mol-1
=-0.2118g·mol-1
△E=△m·c2
=(-0.2118×10-3kg·mol-1)×(2.9979×108m·s-1)2
=-1.9035×1013kg·m2·s-2·mol-1
=-1.9035×1013J·mol-1
=-1.9035×1010kJ·mol-1
1.000g鈾-235放出的能量是
在核裂變過程中,每1g參加反應(yīng)的鈾-235可放出約8×107kJ的能量,而每1g煤完全燃燒時(shí)放出的熱量約為30kJ。這就是說,1g鈾-235裂變所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于約2.7×106g煤燃燒時(shí)所放出的能量。可見核能是多么巨大。
由于核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生了中子,故裂變反應(yīng)以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的形式進(jìn)行。一般來說,在核裂變反應(yīng)中,產(chǎn)生的中子數(shù)多于消耗的中子數(shù),但產(chǎn)生的中子會(huì)被核裂變物質(zhì)和反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件吸收一部分,還有一部分中子將逃逸到堆外,幸存中子的多少,對(duì)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)具有決定性影響,如果幸存中子平均不到1,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就愈來愈弱,稱為“收斂”,如果幸存中子平均大于1,則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會(huì)愈來愈強(qiáng),稱為“發(fā)散”,最后可能達(dá)到無法控制的地步,原子彈爆炸即利用此原理,這非常危險(xiǎn)!故我們希望幸存中子恰好為1,讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)經(jīng)久不息地進(jìn)行下去。駕馭鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可通過控制棒實(shí)現(xiàn),控制棒可用中子吸收截面很大但本身又不發(fā)生裂變的材料如鎘、硼、鉿制成。這種核反應(yīng)堆稱為熱中子反應(yīng)堆。
天然鈾按質(zhì)量分?jǐn)?shù)是包含0.0055%鈾-234、0.72%鈾-235和99.2745%鈾-238三種同位素的“家族”,鈾-238不能直接用作核裂變?nèi)剂,如果僅用鈾-235作核燃料,其資源就很少。現(xiàn)代技術(shù)已開創(chuàng)了將鈾-238轉(zhuǎn)變成钚-239的技術(shù)
钚-239能進(jìn)行核裂變反應(yīng)。也就是說,在反應(yīng)堆里,每個(gè)鈾-235或钚-239裂變時(shí)放出的中子,除維持裂變反應(yīng)外,還有少量的中子可以用來使難裂變的鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兊念?/font>-239。這種反應(yīng)堆稱為快中子增殖堆。簡(jiǎn)稱快堆。即快堆在消耗裂變?nèi)剂弦援a(chǎn)生核能的同時(shí),還能生成相當(dāng)于消耗量1.2~1.6倍的裂變?nèi)剂。這樣,就可以把熱中子反應(yīng)堆中所積壓的鈾-238充分利用。