核能及核燃料_科普之友

无论是木材、煤炭、石油或天然气燃烧，发生的都是化学反应。所释放的能量只与原子的外层电子的能量有关。一般都是电子伏特（ev）量级。而核能则来自位于原子内深层的原子核，原子核虽然在体积上只占原子的极小部分（半径为原子的10-4～10-5），但却集中了几乎全部原子的质量。根据Einstein质量与能量的当量关系：
　　
　　E=mc2
　　
　　（式中c是光速3.1010厘米／秒），可见原子核中蕴藏着巨大的能量。即：对于质量m的能量是等于该质量乘以光的巨大速率的平方，因此每一单位质量都有巨大数量的能量。同等质量的物质发生核反应放出的能量要比发生化学反应放出的能量大数百万倍。例如一公斤铀燃烧（裂变）放出的能量（～2.1010千卡）相当于250万公斤煤燃烧所放出的能量，而一公斤氘燃烧（聚变）放出的能量相当于750万公斤煤燃烧放出的能量。
　　
　　人类文明发现这样巨大的能量只是最近几十年的事。正如Einstein在《E=mc2：我们时代最迫切的问题》一文中所说：“如果每一克物质含有这样大的能量，为什么它会那样长期地没有引人注意呢？答案是够简单的：只要没有能量向外面放出，就不能观察到它。”1939年，德国科学家Hahn和Strassmann用中子轰击铀，使一个铀原子核分裂成两个较轻原子核时，实现了这一巨大能量的释放。被用作玻璃和陶瓷的颜料的铀一跃成为人类划时代的新能源。铀从此成为最重要的核燃料，成为最敏感的战略物资。
　　
　　原子核由中子和质子组成（最轻的氢原子核由一个中子和一个质子组成，自然界中最重的铀原子核由146个中子和92个质子组成）。但是任何一个原子核的质量总是小于组成该核的全部中子和质子的质量的和。这一质量之差称为原子核的结合能。结合能是原子核结合紧密程度的度量，结合能越大（生成该核时释放出的能量越大）原子核结合越紧密。
　　
　　不同原子核具有不同的平均结合能是实现释放核能的基本核性质。当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时，就可释放核能。中等质量核素的平均结合能最大，而轻或重核素的平均结合能较小。轻核素尤其突出。这就是说：当把轻核素聚合成较重的核素（例如把氢聚合成氦）或把重核素分裂成较轻的核素（例如把铀分裂成钼和锡）时，将伴随着释放能量。这就是通常所说的聚变和裂变。可以发生聚变或裂变的核素不少，原则上都可能成为核燃料。聚变必须在很高的温度下才能进行，所以也称热核反应。裂变则须在中子激发下才能进行。
　　
　　目前在聚变能的释放上，虽然已经实现了氢弹爆炸，但由于还不能控制它，所以还不能用作民用的能源。裂变能则已经成功地用于发电，也就是我们常说的核电站。
　　
　　铀是目前核电站可用的唯一的天然核燃料。它由235U和238U两种同位素组成，各占0.7％和99.3%。目前商用核电站只利用了235U，可见对天然核燃料的利用效率是很低的。为了提高核燃料的利用效率，显而易见就是用238U作核燃料。这可以使238U吸收一个中子变成239Pu（钚，它具有和235U相似的核性质）来实现。此外，天然存在的钍（232Th）也可以吸收一个中子变成具有和235U相似核性质的233U。今天我们所指的核燃料一般包括：铀（U）、钚（Pu）、钍（Th）三个元素，尤以铀为最重要。