早在100万多年以前,人类就开始使用火,在此之后,火释放出的能量一直是人类重要的能量来源。直到最近的100多年时间里,人类才发现比火强大得多的能量——核能,时至今日,人类已经初步掌握了可控核裂变的技术。
简单来讲,这种技术就是将重原子核“掰开”,而重原子核在被“掰开”之后,会因为质量损失而释放出能量,人类再利用这些能量来发电。因为在自然界中最容易被“掰开”的是铀235的原子核,所以铀235就理所当然地成为了应用最多的核燃料了。
1公斤的铀235裂变后能释放多少能量?
铀235的原子核小得离谱(数量级为10^-14米),人类不可能真的去“掰开”它,所以人类采用了一种巧妙的方法,那就是利用高速的中子去轰击原子核,从而使它发生裂变。
上图为铀235的5种裂变方式,每种裂变方式释放出的能量都差不多,平均值约为200MeV,1MeV对应1.6 x 10^-13焦耳的能量,也就是说,每一个235的原子核裂变之后,都会释放出3.2 x 10^-11焦耳的能量。
已知1摩尔的铀235含有6.02 x 10^23个原子,其质量为235克,由此可知,1克铀235含有大约2.56 x 10^21个原子,所以1公斤的铀235就含有2.56 x 10^24个原子,将这个数字与单个235的原子核裂变之后释放的能量相乘,我们就可以得出,1公斤的铀235裂变后会释放出8.2 x 10^13焦耳的能量。
这是什么概念呢?这样说吧,1公斤的标准煤的热值29307千焦,以此为参照物的话,那么1公斤的铀235裂变后所释放出的能量,就与燃烧2798吨标准煤释放的能量相当,由此可见核能有多么强大,这也难怪人类对核能如此“情有独钟”。
那么地球上的铀够人类使用多久呢?
地球上的铀不可再生的,用一点就少一点,就笔者收集到的数据来看,全世界已探明的铀大概是700多万吨,其中铀235的占比约为0.7%,如果按照目前人类的平均使用量来计算,那么这些铀矿中的铀235只够支持人类使用80年左右,
这明显不够用啊,所以人类又对铀238打起了主意(铀238的占比约为99.3%),提出了“快中子增殖反应堆”技术,简单来讲,这种技术就是将一个中子打进铀238的原子核,然后铀238就会变成容易发生核裂变的钚239,这样就可以用于后续的核能发电了。
根据科学家的估算,在“快中子增殖反应堆”技术成熟之后,人类对铀的使用率可以提高50倍,据此我们可以乐观地估计,地球上已探明的铀足够人类使用4000年左右,当然了,如果加上未探明的铀,这个时间还应该再长一些。
以上所述只是地球陆地上的情况,实际上,在地球海洋中的铀储量更加可观,测量数据显示,平均每升海水中就含有3.3微克的铀(主要以三碳酸铀酰络离子的形式存在于海水中),其总量高达42.9亿吨。
可以想象的是,假如人类在未来能够掌握从海水中大量提取铀的方法,地球上的铀就足够人类使用好几万年,甚至好几十万年。
然而这只是基于人类现在对核能的使用情况上来计算的,随着人类文明的发展,人类未来对能量的使用量也会大幅提高,按照“卡尔达肖夫文明指数”的标准,人类现在只是0.73级文明,而想要进入一级文明,人类的功率就必须在现有基础上提高500倍,而想要达到二级文明,更是要在此基础再提高100亿倍之多。
所以从人类文明发展的角度来看,地球上的铀是远远不够的,正因为如此,我们才期待着更高阶的核能——可控核聚变。
与核裂变相比,核聚变的质能转换率提高了大约518.5%,并且核聚变所需要的燃料是氢,而氢是宇宙中丰度第一的元素,占据了宇宙质量的73.9%(这里的质量单指普通物质,不含暗能量和暗物质),对于人类而言,氢元素几乎可以说是取之不尽,用之不竭。
实际上,人类对这方面的研究一直在进行之中,虽然目前我们只能用氘和氚(氢的同位素)来短暂地实现可控核聚变,但可以预期的是,在不太遥远的未来,人类最终会完全掌握这一技术,而到了那一天,人类文明的发展进程必将出现前所未有的飞跃,让我们一起期待吧。
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`
(本文部分图片来自网络,如有侵权请与作者联系删除)