1945年,美国向日本广岛投下一枚原子弹,它的代号名为“小男孩”,当中装有64公斤铀-235。
但实际上,在爆炸的过程当中,仅有不到1公斤的铀-235参与了裂变反应,释放出的能量大约为63TJ,但仍旧直接或者间接性地造成了10多万人死亡。
问题来了,一公斤铀-235完全反应之后,究竟能够释放出多大的能量?在人类现有的能源体系当中,核能占据重要组成部分,如今地球上的铀元素,又能供给人类使用多少年?
核裂变是咋回事首先我们来了解一下铀元素的裂变反应究竟是怎样的。
【裂变反应原理】
所谓裂变反应指的是由重的原子核分裂成多个较小的原子,在过程当中会产生大量的能量,从而产生核反应。
怎么才能让重原子裂变为多个小原子呢?在核电站的反应堆当中,通常会使用热中子去轰击铀-235的原子,然后产生2到4个中子,中子再去轰击其他铀-235原子,然后循环往复,形成链式反应。
这就好比一颗弹珠轰击另一颗弹珠,后者分裂为两颗,然后互相轰击,不断进行下去。
但这种反应不是无限制的,一直到产生铁元素,反应基本结束。
当然,核反应堆和原子弹中的铀-235是不一样的,主要体现在浓度方面。
核反应堆中的铀-235浓度普遍较低,这种链式反应相对来说就要稳定许多,在人类的可控制范围之内。
尽管如此,我们也需要采用诸多手段去控制核反应堆的稳定性。
原子弹当中的铀-235浓度必须在90%以上,这也意味着其一旦发生链式反应,将是非常迅速的,且爆发力十足。
【可怕的原子弹】
这也是为什么原子弹在爆炸之后,会瞬间产生高温和强烈的光,这都是中子在不断轰击的过程当中产生的能量。
需要注意的是,虽然低浓度的铀-235不能用于制造核武器,在国际上也没有严格的交易限制。
但是离心机可以将低浓度铀-235转化为高浓度,因此离心机是被禁止流传的。
能量庞大一般来说,1公斤铀-235在全部裂变的情况下,会产生大约20000兆瓦小时的能量,相当于2700吨煤炭燃烧时释放的能量。
【核反应堆】
这么说大家可能没有概念,再转化一下,一兆瓦时差不多等于1000度电,20000万兆瓦时相当于20000000度电。
2022年,四川人民一天的用电量约为3.4亿千瓦时,相当于3.4亿度电,差不多17公斤的铀-235,就能满足四川一天的用电量。
当然,这仅仅是理想情况,如果将一公斤铀-235用于发电,在过程当中会伴随着大量的能量损耗。
包括冷却反应堆,以及在发电过程当中做功的过程,都会伴随着能量的损失。
目前绝大部分核电站的发电模式采用的还是“烧开水”的模式,当铀-235产生裂变反应之后产生热能,热能将水加热沸腾产生蒸汽,然后用于发电。
比如说,中国华龙一号核电站就是一座“开水核电站”,本质上和当初咱们用煤炭烧锅炉没啥区别。
不过,华龙一号的先进之处有很多,包括采用了多个燃料组件的反应堆堆芯、多种安全保障系统等等。
不仅核电站在烧开水,还有大家津津乐道的核动力航母,也是同样的原理。
【华龙一号核电站】
所以,大家别看核动力航母如此高大上,本质上和蒸汽动力航母没啥区别。
从另一角度来看,铀-235作为一种新型能源,它拥有的潜在价值也是非常庞大的。
从生态环保方面来看,一公斤铀-235就顶2700吨煤炭,而后续燃烧之后对环境的污染十分严重,前者在人为处理得当的情况下,对环境的污染肯定是比不上2000吨煤炭的。
同时,铀-235的能量转化效率也很高,可以在短时间内满足人们爆发式的能源需要。
核电站再配合水力、风力以及其他能源发电的情况下,基本满足中国14亿人口的生产生活需要。
铀-235还能用多久像这样一种令人类“又爱又恨”的放射性物质,在地球上的储量是有限的。
通常它是以银灰色的金属形式出现,但这是经过人类加工提纯之后的产物,在自然界中,通常会蕴藏在铀矿等矿产资源当中,需要进一步进行提纯加工才能得到。
中国就是一个铀-235储量大国,在2023年的时候,我国内蒙古地区就发现了一批超大型的铀矿,总体储量规模属于10万吨级别,对于我国来说意义重大。
相关资料数据统计推断,人类目前拥有的铀资源储量大约为371.3万吨,其中大部分被澳大利亚等国家占据,在世界范围内分布不均。
随着人类核电站建造数量的不断增加,人类对于铀-235的消耗也在增长,按这个趋势来看,也许到21世纪末期,铀-235资源就已经枯竭了。
不过,从现实情况来看,铀资源枯竭时间可能会更早,在2016年的时候其产量就已经达到了一个峰值,并在此后开始衰减。
这也意味着,铀资源在走下坡路,如果人类在未来无法发现新的隐藏铀矿的话,很有可能会过早枯竭。
所以我们不得不担心这样一个问题,未来当铀-235不再能够用于发电的时候,人类在能源上的空缺怎样才能补足呢?
别担心,除了裂变反应能够产生能量之外,聚变反应也是可以的,而人类正在研究可控聚变反应,俗称“人造太阳”。
人造太阳使用的是核聚变原理
相信可控核聚变会在铀资源枯竭之前得到广泛运用。
参考资料:
【1】陈志岳. 1公斤铀235释放的热量相当于2700吨煤释放的热量如何用核能发电①.《CNKI》,2004