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明明自然界中铀-238最丰富,为什么还要用稀有的铀-235做核燃料?

2020-02-02  星辰大海...

从理论上来看所有的放射性元素都可以拿来作核裂变燃料,但因为各种放射性元素的在自然界中的含量,取得的难易程度,以及加工成本的高低,使得我们可以选择的余地非常小!原子弹中常用的核材料是铀和钚,但在核能利用的核电站中,用的却都是铀,为什么选铀呢?

为什么核反应堆的核燃料都是铀,而且还是铀-235,不能是大量存在的铀-238吗?

元素周期表中的很多元素都有放射性同位素,这些具有放射性的同位素是因为原子核的质子和中子的组合导致了不稳定,会发生衰变!同位素是质子数相同但中子数不一样的元素,比如氚,和碳-14、钴-60和碘-131等,这些都是放射性同位素,衰变时会有伽马射线和α射线(氦原子核)β射线(电子或者正电子),如果一种元素的所有同位素都具有放射性,那么这种元素就是放射性元素,比如如铀、镭和氡等。

云室观察放射性元素衰变

  • 为什么是铀?

其实很简单,因为铀是自然界唯一大量存在的放射性元素,而且铀也是最容易达到可控裂变的元素。铀的化学元素符号为U,铀的质子数是92,所以它有92个核外电子,其中自然界大量存在的同位素有两种,一种是U-235,原子核中有143个中子,在铀元素中的含量约0.7198~0.7202%,半衰期7.04亿年,另一种是U-238,原子核中有146个中子,铀元素中含量约99.2739~99.2752%,半衰期44.7亿年,还有极其微量的U-234!

铀在衰变是会释放出α射线,所以它很容易防护,因此纯铀元素并不危险,几层薄薄的纸片即可防护,当然这并不建议将它带在身上,毕竟是放射性元素,二十世纪初的放射性增强身体的笑话就不要重演了,大家都知道放射性的危害哈!

  • 为什么是铀-235?

核电站的中的核燃料利用的都是U-235,在铀元素中含量超过99%的U-238除了吸收中子增值成钚元素外,其他的用处就只能拿来知奥贫铀装甲或者贫铀弹了!那么为什么不用U-238呢,非得用一丢丢含量的U-235?

这是因为U-238的放射性强度低于U-235,而且U-238被快中子碰撞后会吸收其能量,无法产生裂变,但它可以捕获到慢中子后会经过两次β衰变转变成可裂变的钚-239,所以U-238是增值堆中的原料,比如重水反应堆中多余的慢中子可以通让U-238变成钚-239,成为制造原子弹的原料,所以重水反应堆投资建设可是国际原子能机构重点监控的对象哦!

  • 钚-239也可以裂变,为什么不用来做核燃料?

上文我们了解了,钚并没有在自然界中大量存在,如果有需要必须通过重水反应堆来制造,所以这个成本直接就是天文数字,一般只用钚的氧化物来制造核电池(比如旅行者一号和二号用的就是氧化钚(钚-238)),而另一个用途就是制造原子弹,两个高端大气上档次的去处都不够用,还用它来发电?实在是太奢侈了吧。

钚元素

钚-239也是易裂变的三种同位素之一(另两种是U-233和U235),但钚的成产成本高,所以大多数国家都将其作为原子弹的材料储备,基本没有机会将其拿来作为核燃料,当然大多快中子增值反应堆中是以钚-239裂变燃料,而U-238作为增值材料,因为每个中子诱发分裂释放出来的中子数目为:

铀-235:2.10个

钚-239:2.45个

铀-233:2.31个

因为钚的效率最高,而且可以用钚生产出更多的钚,所以叫做快中子增值堆,如果普及,当钚-239的数量难以消化时,必定会用来作为普通核电站核燃料,但暂时可能很少有国家那么奢侈,将钚-239作为核燃料。另外核燃料的选择也和原子核的裂变势垒有关系,比如U-235比较低,U-236稍高,U-238则比较高,其他放射性材料,也可以参考自然界是否存在于裂变的势垒,其实前面这个条件就只剩下铀元素啦!

快中子增值堆

除了核裂变,还有核聚变哦

其实核能除了裂变还有聚变,与裂变相反,聚变是以轻元素聚变成重元素,和选择裂变有些类似,也是选择容易聚变的和自然界含量巨大的,但好死不死,我们找到的两种最容易聚变的氘和氚聚变,氘在海水中含量大约是0.02%,尽管比较贵,大概数千人民币一千克(跟聚变的高能相比,简直就是白菜)。

元素的比结合能

但氚就比较贵了,据说要数千万美元一千克,不过可以在裂变堆中用多余的中子轰击锂-6来生产,或者在聚变堆中同样的机制生产氚,也就是理论上可以自持,这使得大家松了一口气,这么贵的氚就这样烧掉了是不是太可惜了?

核聚变堆

不过和裂变堆不一样,大家已经用了快半个世纪的核电了,但聚变的电能,鬼才知道啥时候能用到了,一直都忽悠是50年,从八十年代起到现在,都40年过去了,2030年可以吗?但愿吧,希望能在石油和天然气耗尽前用上聚变堆的电,要不然人类文明何去何从?

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