1公斤铀-235能释放多大的能量?地球上的铀,可供人类用多久?

星空承载梦想 2024-01-25 09:06:15
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现代科学认为,我们的地球诞生于46亿年前,也就是太阳系诞生初期,在大约50亿年前的时候,太阳系一片混乱,太阳诞生以后吸收了周围大量的物质,所以太阳的质量占到了太阳系总质量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物质占到了太阳系总质量的百分之0.14,从占比上我们就能够看出,太阳的质量是非常大的,在太阳系中,一共有八大行星,它们分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,在海王星的外面还有一颗冥王星,曾经冥王星也属于一颗行星,但是后来科学家认为,冥王星的体积和质量都太小了,于是将它踢出了行星的行列,在太阳系的八大行星当中,地球是唯一一颗诞生了生命的星球,生命的出现给地球增添了很多色彩。

尤其是人类出现以后,解开了地球是很多的奥秘,人类在短短几千年的时间内,能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,人类之所以能够拥有如此之快的发展速度,主要是因为人类利用了地球上很多的能源,比如说煤炭、石油、天然气、可燃冰等等,而现在人类正在利用核能,这是一种更加强大的新能源,所谓核能,其实就是蕴含在原子核内的能量,它们可以通过核反应释放出来,比如说现在的核电站,就是通过核裂变来获取核能的,核裂变的故事始于1938年,当时两位科学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼发现了一种奇特的现象:当铀原子受到中子轰击时,它会分裂成两个较轻的原子,同时释放出大量的能量。这一发现开启了核能研究的新篇章,也奠定了核裂变的基础。

核裂变的过程是这样的:当一个中子轰击重核时,重核会分裂成两个较轻的核,同时释放出两个或者更多的中子,这些中子又会继续轰击其它的重核,引发链式反应,使得能量不断释放,这种链式反应是核裂变的核心机制,使得核能能够快速的释放能量,而核裂变中最重要的元素就是铀,铀最早被科学家克拉普罗特 在1789年于沥青铀矿中所发现,此后的百年里,大家对它的认知,只是藏在元素周期表角落的一个普通元素。直到1945年,美国人花费20多亿美元制造出了3枚原子弹,并将它们分别命名为了“小玩意儿”、“小男孩”和“小胖子”。之后美国就在1945年7月16日上午5时24分。进行了人类有史以来的第一次核试验。

铀是锕系元素中的一种金属,是一种放射性元素。它也是自然界最重的元素,含有92个质子和92个电子,像每一个比铅(有82个质子和82个电子)重的元素一样,铀不稳定,会逐渐分解,散发出电离辐射粒子。由于原子中的中子数量不同,自然界存在几种铀同位素,分别是铀-238、铀-235和铀-234,其他一些同位素则是人造的。所有铀同位素都不稳定,但只有一种适合核链式反应,即铀-235。当铀-235的原子核被中子击中时,就会分裂,释放出能量和更多中子,这些中子会再冲击其他原子核,从而引发核链式反应。正是这种特殊性质,使铀-235成为核电站、核潜艇和核武器等的理想燃料。

铀-235核链式反应的具体过程如下:

①中子:它是不含电荷的亚原子粒子,在反应器里被引导撞向铀-235。

②碰撞:铀原子核被中子撞上,就会获得能量,并变得不稳定。

③裂变:铀原子核分裂成两部分,形成两种质量较小的元素,同时释放出多余的中子。

④质量较小元素:铀的裂变会生成质量较小的元素,如氪、钡。

⑤伽马辐射:裂变反应必定释放频率极高的电离伽马辐射。

⑥蔓延:铀原子分裂,释放出2~3个中子,它们会与更多的铀原子核发生碰撞。

⑦核链式反应:铀原子分裂时产生中子的特性会引起核链式反应。

⑧能量:每次裂变,释放大约2亿电子伏特的能量。

铀-234是目前人类能够利用的最理想的能源,那么一公斤铀-235能够释放出多大的能量呢?科学家通过计算得出,每一个铀-235原子核在裂变之后,会释放出200MeV的能量,简单换算一下,就是3.2*10^-11焦耳,已知1摩尔铀-235的质量为235克,其中包含的原子数量大约为6.02乘以10的23次方个(阿伏伽德罗常数),据此可以计算出,1公斤(1000克)铀-235的原子数量大约就是2.56乘以10的24次方个。我们将这个数据和单个铀-235原子核裂变后释放的能量平均值相乘,就能够得出在全部完成核裂变的情况下,1公斤铀-235释放出的能量大约是8.2*10^13焦耳,相当于燃烧2798吨煤炭,可见铀对人类的重要性。

铀除了能够进行核裂变之外,还能够进行核聚变,核聚变的转化率要高于核裂变,我们的太阳之所以能够燃烧50亿年而没有熄灭,就是因为它内部核聚变的反应,核聚变不是随便发生的,而是需要极端的条件,比如说极高的温度或者极高的压强,在地球上人造可控核聚变就需要上亿度的高温才能够持续进行,太阳比我们地球有一个特别的条件,就是高压,因此持续核聚变的温度就不需要这么高,但核聚变的位置必须在核心才能够发生。太阳是一个主要由氢元素和氦元素组成的巨大等离子体球,半径约70万千米。万有引力让这个等离子球体不断向核心收缩,这样在核心处就形成了约3000亿个大气压和1500万K的温度,在这样的压力和温度下,核心的氢原子外层电子被高压高温剥离了,露出了光秃秃的核,在压力和高温下,核与核之间不断剧烈碰撞,核融合也就是核聚变就被点燃了。

通过科学家的研究得出,太阳内部的4个氢原子核聚变成一个氦原子,其质量会亏损一部分,这部分亏损的质量最终会转化为能量释放出去,太阳核心每秒钟参与核聚变的氢大约是6亿吨,损失质量百分之0.72,就是423万吨,这些释放出去的能量会被其他的天体吸收,地球每秒钟吸收的能源大约只有22亿分之一,但是这22亿分之一的能量相当于地球上100万吨煤炭燃烧的能量总和,所以太阳对于人类来说,能量巨大,目前科学家也在积极的研究可控核聚变,不过想要实现可控核聚变,人类还差的很远,目前人类面临的难点有超高温和等离子体的控制,要知道可控核聚变需要非常高的温度,大约是1亿度左右。

太阳中心的温度也只有2000万度,一亿度是太阳中心温度的5倍,人类想要实现是非常困难的,想要实现可控核聚变,还需要控制等离子体,目前这些技术人类还没有实现,早在2022年12月的时候,美国能源部就宣布位于美国加州 的劳伦斯利弗莫尔国家实验室在可控核聚变领域获得里程碑式突破,该实验室耗资35亿美元建造的国家点火装置首次成功在核聚变反应中实现净能量输出,即聚变反应产生的能量大于控制该反应所输入的能量。而在这之后的2023年里,美国国家点火装置又多次实现了能量净输出。这意味着美国必然在核聚变领域获得了重要突破,并且技术也越来越成熟。实现可控核聚变的路线主要有三种,分别是重力约束,磁约束和惯性约束,太阳内部正在进行的稳定核聚变就是靠自身的重力进行控制约束的,不过人类目前在技术上还无法实现。

现在人类利用铀进行核裂变,对于人类科技发展来说,也是很不错的,根据科学家的研究得出,目前地球上已经探明的铀储量大约有700多万吨,但其中绝大部分都是铀-238,其相对丰度高达百分之99.2742,而铀-235的相对丰度却仅为百分之0.7204,如果人类只是利用铀-235的话,那么按照目前的平均消耗速度,它们大概可以供人类用80年左右,如果说铀被人类使用完之后,那么人类还能够利用哪些更加强大的能源呢?目前科学家想到的最强大的能源就是反物质,反物质所产生的能量要比核裂变、核聚变强大几千倍甚至是几万倍,在1956年的时候,美国科学家发现了反中子,从而证明了反物质的存在,在1955年的时候,欧洲核子研究中心首次成功研制出了反氢原子,这表示人类拥有了制造反物质的能力。

反物质是人类目前发现的最完美的转化物质,它的转化率能够达到百分之百,世界上没有任何物质能够和反物质相比,人类现在掌握的最大能量转化就是核聚变,它的转化率只有百分之0.7,简单来说就是1kg物质能够转化为7g的能量,如果是反物质,1g反物质全部释放出的能量大约是9*10^13J,但是反物质湮灭需要和正物质一起产生,所以就会爆发出2g的能量,即1.8*10^14J,这个能量到底有多大呢?科学家通过计算得出,1g反物质和1g正物质湮灭,能够产生相当于5000万度电,或者说是4.3万吨TNT炸药的爆炸威力,从这些数据上我们就能够看出,反物质所产生的威力是巨大的,而人类现在虽然能够在实验室中制造出反物质来,但是花费的成本实在是太高了。

制造一克反物质,就需要花费62.5万亿美元,所以人类现在根本没有能力制造大量的反物质,看到这里,相信很多朋友都会产生一个疑问,就是宇宙中既然存在正物质,那么就一定存在大量的反物质,为什么我们不再宇宙中寻找反物质呢?从目前的理论来看,在宇宙中,理论上能够产生反物质的途径有两个,一个是自然力量,比如说超新星爆发,中子星或者是黑洞合并等伴随着大能量的释放,巨大能量推动亚原子的粉碎,在此过程中,或许能够形成反粒子,并且向宇宙中释放出去,按照现代科学的理论,我们的宇宙诞生于138亿年前,在138亿年前,有一颗奇点发生了爆炸,奇点是一个质量、能量、热量、密度无限大的点,这个点爆炸这以后,我们的宇宙快速的向四周膨胀。

经过漫长的时间,我们的宇宙才变成现在所看的样子,在大爆炸发生还不到一秒钟的时间内,所释放出的粒子数量和普通粒子数量几乎是等量的,不过正物质要比反物质多了10亿分之一,最终导致巨大部分的反粒子和普通粒子发生了淹没,剩下的普通物质形成了我们现在看到的样子,这个理论并不是科学家凭空猜测出来的,宇称不守恒定律证明了这个理论是对的,宇称其实是指一种对称性,想要理解宇称不守恒为什么这么重要,就需要先了解为什么对称性这么重要,如果没有对称性的指导,那么爱因斯坦就不可能发现相对论,在我们现实生活中,有很多物质都是对称的。

在20世纪50年代,科学家发现了两种放射性的新介子,这两种介子的自旋、质量、寿命和电荷都是完全相同的,所以当很多科学家都认为这两种物质其实就是一种物质的时候。科学家发现其中一个粒子衰变时会产生两个π介子,而另一个衰变能够产生三个π介子,这使得它们遵循不同的运动规律,在1956年的时候,李政道和杨振宁在深入研究后发现,这两个粒子是完全相同的一种粒子,它们被称为是k介子,但是在弱相互作用力下,它们的运动规律是完全不同的,就如同我们照镜子一样,镜子中的动作和镜子外面的动作是不一样的,如果说宇称守恒,即使镜像世界跟真实世界同等合理,那么Co-60放出的电子就应该朝向四面八方的概率都相同,没有一个优势的方向,但实际上,这些电子大部分都集中在跟磁场相同的方向,这破坏了宇称守恒。

宇称不守恒有囊括了分子、原子和基本粒子物理的一个基本实际意义,宇称不守恒并不是一个局部性的理论发展,他影响了整个物理学界的发展,对称性在20世纪物理学中很重要,特别是对相对论在时空对称方面取得了巨大的成就,这个理论间接的告诉了我们,宇宙中的物质并不是全部都相等的,有些物质的数量多,有些物质的数量少,而反物质就是一个很好的例子,科学家认为,即使在宇宙中存在一定的反物质,但是我们也很难发现他们,如果说反物质能够形成反星系,由于星系的规模非常宏大,对周围天体和其它星系都有着强烈的引力作用,在长时间尺度下。就不可避免的和其它星系发生碰撞,从而释放出更加强大的能量,但是到目前为止,人类并没有在宇宙中发现这种现象。

还有一些科学家猜测,在我们宇宙的另一面,可能还存在着一个反物质宇宙,而这个宇宙中的所有物质都是由反粒子形成的,和我们的宇宙正好相反,但是这个宇宙在哪里?目前科学家还不确定,或许在我们的宇宙中,存在一个神秘的通道,利用这个通道我们就能够穿越到另一个反物质宇宙中,这个通道可能是黑洞,也可能是其它的天体,不过这些都只是科学家的猜测,真相到底是什么样子的?目前科学家还在积极的研究当中,对于人类来说,反物质的利用离人类还是比较远的,毕竟人类现在连可控核聚变都无法实现,想要实现可控核聚变,人类还需要大量的氦-3,目前地球上的氦-3储量非常少,还不足以让人类实现可控核聚变,但是科学家在月球上面发现了大量的氦-3。

未来随着人类科技的进步,人类还需要前往月球去开采这种资源,小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命, 人类的科技在不断的进步和发展,只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步,人类登陆月球也是指日可待,等到人类能够在月球开采资源的时候,我们就能够实现可控核聚变,除此之外,人类未来一定还能够在宇宙中发现更多强大的能源,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,到时候人类或许能够解开宇宙中所有的奥秘,对此,大家有什么想说的吗?

5 阅读:3723
评论列表
  • 2024-05-12 17:08

    文章又长又臭

  • 2024-05-07 22:46

    用到地球上再也不剩一个人的那年那月那天。

  • 2024-07-05 16:41

    一公斤相当于两千吨煤,那提练和运行需要多少吨煤的能量呢

  • 2024-05-02 20:06

    其实用起来,没有用煤划算[笑着哭]。水电也比这强。

  • 2024-05-09 23:06

    咋的。我送了。

  • 2024-07-03 21:00

    给小编科普一下哈,正反粒子相遇不是淹没,是湮灭[并不简单]

  • 2024-07-03 23:07

    有点复杂不太懂,但是日本尝过两个核弹的滋味,希望他们在多尝试几次

  • 2024-01-26 09:15

    能量守恒定律,只要太阳源源不断给地球带来热量,地球人永远不要担心能源会紧张,只要掌握能源转换技术

  • 2024-01-26 19:00

    制作一公斤核燃料需要用多少电

  • 2024-06-24 17:00

    一公斤鱿能吃一天,放第二天就坏了

  • 2024-07-03 00:44

    当人类能造出一座山的反物质时,通往反物质空间的通道就会被发现

  • 2024-01-27 03:45

    那么铀用完后的废料真的没办法解决掉吗?非得排入太平洋里呀?

星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章