选读材料 核能和太阳能Ⅰ.核能

1. 核裂变

矿物燃料究竟还能延续使用多长时间，这是有争议的，但这些燃料的供应毕竟有限，而且已出现了所谓“能源危机”。从目前和不远的将来来看， 经济上可以实现且具有取代矿物燃料的能力的重要能源是核裂变，简称裂变。通常所说的核电站就是利用核裂变所产生的能量来发电的。我国自行设 计的 300MW(兆瓦)秦山核电站已投产发电，广东 1800MW 核电站工程进展也迅速。对发电成本的分析表明，我国华东地区核电站的发电成本比煤电站的低百分之几，广东省核电站的成本低得还要多些。

核裂变反应是在中子( ¹ n)轰击下使较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应。目前正在运转的核电站所使用的燃料是铀同位素 U-235。用慢中子轰击 U-235 时，就起下列裂变反应：

^{2 3 5} U +¹ n(慢) → 较轻碎核 + 较重碎核 + 中子

9 2 0

裂变产物非常复杂，已知的产物至少有 35 种元素(从 30Zn 到 64Gd)，而放射性核有 200 种以上。核裂变时，释放出大量的能，直接与所发生的质量减少相联系。这可用爱因斯坦(A.Einstein)公式进行计算。

ΔE=Δm·c2 (1.12)

式中ΔE 表示系统能量改变量，即

ΔE=ΣE 生成物-ΣE 反应物

Δm 表示系统质量改变量，即

Δm=Σm 生成物-Σm 反应物

c 表示光速，等于 2.9979×108m·s-1。以下列裂变反应为例：

^{2 3 5} U +¹ n →^{9 0} Sr +^{1 4 4} Ce + 2¹ n + 4_⁰ e⁻

9 2 0 3 8 5 8 0 1

已知^{2 3 5} U、^{9 0}Sr、^{1 4 4}Ce、¹ n( 中子) 和_⁰ e⁻ (电子)的摩尔质量分别为

9 2 3 8 5 8 0 1

234.9934、89.8864、143.8816、1.00867 和 0.00055g·mol-1，所以Δm=｛(89.8864+143.8816+2×1.00867+4×0.00055)

-(234.9934+1.00867)｝g·mol-1

=-0.2145g·mol-1

ΔE=Δm·c2=(-0.2145g·mol-1)×(2.9979×108m·s-1)2

=-1.928×1016g·m2·s-2·mol-1

=-1.928×1013kg·m2·s-2·mol-1

=-1.928×1013J·mol-1=-1.928×1010kJ·mol-1

对于 1.000gU-235 来说，因 U-235 的摩尔质量为 235g·mol-1，所以

△E = －1.928×10¹⁰ kJ·mol^-1×

1.000g

235g·mol ⁻¹

= －8.20×10⁷ kJ

通常可以ΔE=-8.20×107kJ·g-1 表示。

在核裂变过程中，每 1g 参加反应的 U-235 放出的能量约为 8×107kJ。而每 1g 煤完全燃烧时放出的热量约为 30kJ。这就是说 1gU-235 裂变所产生的能量相当于约 2.7×106g 煤燃烧时所放出的能量，这是核燃料的明显优点，但是核裂变产物大多具有放射性，裂变产物如 Sr-90(半衰期为 29 年！) 是极其危险的污染物。这些放射性裂变产物的贮存与最后处理必须有极其严格的安全措施。

1. 核聚变

核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核的反应。这种反应进行时放出更大的能量。以氘( ² H )与氚( ³ H )核的聚变反应为

1 1

例：

² H + ³ H →⁴ He +¹ n

根据式(1.12)：

1 1 2 0

ΔE=Δm·c2

已知² H、³H、⁴He和¹ n的摩尔质量分别为2.01355、3.01550、4.00150和

1 1 2 0

1.00867g·mol-1，所以

Δm=｛(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550)｝g·mol-1

=-0.01888g·mol-1

ΔE=Δm·c2=(-0.01888g·mol-1)×(2.9979×108m·s-1)2

=-1.697×1015g·m2·s-2·mol-1

=-1.697×109kJ·mol-1

对于 1.000g 的核燃料来说，因 H-2 和 H-3 的摩尔质量分别为 2.014 和3.016g·mol-1，所以

△E = －1.697×10⁹ kJ·mol ^-11×

=-3.37×108kJ

1.000g

(2.014 + 3.016)g·mol ⁻¹

通常可以ΔE=-3.37×108kJ·g-1 表示。

核聚变与核裂变以及煤、辛烷(汽油代表性组分)、甲烷(天然气主要组分)、氢气完全燃烧所放出的能量或热量可以比较如下：

由此可知，1g 燃料核聚变所产生的能量约为核裂变相应能量的 4 倍。除了这一明显的优点外，核聚变产物不是放射性的，所以由聚变反应堆所产生的公害可以大为减少。

聚变所需的主要燃料是氘，可以从重水中取得。在普通海水中含有摩尔分数约为 0.015％的重水。有人估计地球上海水的总质量约为 1.3×1027g， 只需海水中约 2×10-13％的重水所获得的氘的聚变所产生的能量就可满足目前全世界 1 年的需用。

核聚变反应的发生需要有异常高的温度(例如几千万度以上)。氢弹爆炸(核聚变反应)所需要的这种高温是藉核裂变反应触发核聚变而产生的。但欲将核聚变用于发电，就需要提供一种设备，能使这异常高的温度维持足够长的时间(例如 1 秒以上)以导致聚变反应的进行。目前这方面的研究工作已向较低温度核聚变反应发展。