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为什么只能用铀和钚来做核燃料?而其它的元素却不行?

人类的生存离不开能量的供应,我们平常所使用的通常都只是化学反应所释放出的能量,从微观角度来看,化学反应只是涉及到原子的外层电子,而更强大的能量,则隐藏在原子核之中,也就是所谓的核能(也称原子能)。

人类获取核能主要有两个途径,即核聚变和核裂变,简单来讲,核聚变就是将若干个轻原子核“捏”在一起,核裂变则是将重原子核“掰开”。

就目前的情况来看,虽然人类还无法有效地掌控核聚变释放的能量,但人类对核裂变的应用还是小有成就的,迄今为止,人类已建成了数百个以核裂变为基础的核电站,不过这些核电站所使用的核燃料都是铀和钚。

那么问题就来了,地球上那么多重元素,为什么只能用铀和钚来做核燃料?而其它的元素却不行呢?下面我们就来聊一下这个话题。

原子核是由质子和中子构成,对于反物质而言,构成其原子核的则是反质子和反中子,我们把这些构成原子核的粒子统称为“核子”,一个原子核所包含的“核子”越多,其质量就越大,但科学家却发现,不同元素的原子核,其“核子”的平均质量却是不一样的。

在已知的所有元素中,铁原子核的“核子”平均质量最低,而其它元素的“核子”平均质量则会随着原子序数的增加(原子序数比铁大)或减少(原子序数比铁小)而逐渐递增。

这就意味着,原子序数低于铁的原子核发生核聚变,或者原子序数高于铁的原子核发生核裂变,都会出现质量亏损,而这些亏损的质量就会转变成能量,这可以通过爱因斯坦的质能方程式“E=mc^2”来进行描述。

尽管从理论上来讲,只要是原子序数比铁大的原子核就可以通过核裂变来释放出能量,但由于科技水平的限制,人类并不能随心所欲地在原子核的尺寸上来操纵物质,因此人类只能选择核裂变难度最低的元素来做核燃料,这大概需要满足以下几个条件。

1、原子核要足够大:这个道理很简单,原子核所包含的“核子”越多,其本身的稳定性就越差,也就越容易发生核裂变,释放的能量也就越多,所以最佳选择就是元素周期表中的锕系元素。

2、能够大量获取:锕系元素包括锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘和铹等15种元素,其中只有锕、钍、镤、铀、镎和钚在自然界中存在,其它的则只能通过人工合成。可以看到,只是这个条件就淘汰了很多核燃料的“候选者”。

3、能够长期稳定地存在:锕系元素都是放射性元素,它们会自发地发生衰变,很显然,半衰期太短的元素是不适合用来作为核燃料的。

4、能够进行自持式链式裂变:要我们一个接一个地去“掰开”原子核是不现实的,所以最好就是我们只需要提供一个启动的步骤,然后核燃料就可以在不需要外界能量的情况下,持续地发生核聚变并释放出能量。

如上图所示,一个原子核发生裂变之后会释放出几个中子,如果这些中子数量能量足够高,就可能会引发其它原子核的裂变,这就被称为“自持式链式裂变”。

5、核燃料的裂变过程必须是可控的,否则的话就……

在已知的所有元素中,只有铀-235和钚-239能够同时满足以上所有的条件,正是因为如此,人类目前通常都只能用铀和钚来做核燃料。

补充说明一下,虽然自然界中的钚-239非常少,但是钚-239却可以通过人工核反应大量合成,简单来讲就是,我们可以通过人工方式让铀-238原子核捕获到一个中子,在此之后,该原子核就会发生β衰变,从而在短时间内转变成钚-239(以镎-239作为中间体)。

总而言之,地球上的其它元素并不是不能用来做核燃料,只是人类目前还暂时没有掌握相应的科技。不过可以想象的是,随着人类科技的不断进步,核燃料就不会只限制于一些特定的元素,或许在不太遥远的未来,人类甚至还可以直接用随处可见的石头来做核燃料。


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`

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来自:魅力科学君  > 待分类
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