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1克铀裂变产生的能量,相当多少煤燃烧?为啥有这么大能量?

添加时间:2021-09-06 作者: 来源:时空通讯 点击:26802 收藏 打印 字体:
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铀的裂变是物理反应,是原子核裂变过程质量损失转化为能量的过程,严谨符合爱因斯坦质能方程描述;煤的燃烧属于化学反应,是物质在高温下与氧化合后,发出光和热的剧烈氧化反应。

因此,这两种能量既不是一码事,也不是一个量级。

质能方程是爱因斯坦伟大发现之一,简单表达式为:E=MC^2,这里的E表示能量,单位J(焦耳),M为质量,单位kg(千克);C为光速,单位m(米),取值300000000m/s(秒)。

铀-235的核裂变过程,损失的质量约为0.09%,也就是1克约有0.9毫克的质量转化为能量,这些能量有多大呢?根据质能方程计算:0.001*0.0009*300000000^2=81000000000J。也就是说,这1克铀-235全部发生裂变,产生的能量约为810亿焦耳。

煤是一种矿物质,主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成,碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上。不同地方的煤纯度不一样,产生的热量也不一样。国家为了能够统一计算考察消耗状况,将各种煤的热值折算为标准煤统计,规定1kg标准煤热值为7000大卡。

1大卡约为4185.85J,这样1kg煤就可以产生约29300950J的能量,每吨标准煤燃烧后可得到29300950000J的热量。这样,我们就可以得出1克铀-235全部裂变产生的能量,约相当于2.76吨标准煤燃烧产生的能量。

铀-235裂变质量损失是怎么得到的呢?

铀-235裂变的反应方程式为:235U+1n=137Ba+97Kr+2n。

这个方程式说明,当一个铀-235原子吸收一个低能中子时,就会发生裂变,生成钡-137和氪-97两个原子,并释放出两个中子;这两个中子又分别被两个铀-235原子吸收,而发生裂变,每个原子又释放出两个中子,被4个铀-235原子吸收。这样迅速连锁地持续下去,裂变呈指数级放大,就是所谓的“链式反应”。

这种裂变反应两边得到的质子和中子总数是相等的,为什么会发生质量亏损,而产生巨大能量呢?这个问题早在1925年,就已经得到了答案。英国科学家阿斯顿在进行磁场偏转实验时,就发现了这种质量亏损现象。他用质谱仪精确测量了氦原子核的质量,发现核的总质量不等于构成这个核的质子和中子质量之和,其中存在着5.66*10^-26克的质量亏损。

进一步研究发现,原来这些质量亏损在于核内的结合能,就是将质子和中子束缚住的一种物质,被称为“结合能”,这种结合能是占有一定质量比重的。当原子核被裂解时,这种结合能就会作为质量亏损释放出来。

1938年,科学家们实验发现,用中子轰击铀原子核会发生裂变,但裂变后两部分碎片质量相加时,比裂变前的铀核质量和作为“炮弹”的中子质量之和要小,1个铀-235原子核裂变后的质量亏损达到3.57*10^-25克,这就是由于核裂变过程,结合能以质量方式亏损了。

1个摩尔原子数约为6.02*10^23个,不同原子摩尔质量是不一样的,铀-235摩尔质量为235克,这样每克铀-235就有原子数量2.56*10^21个。这样,我们可以得出1个铀-235原子重量约为3.9*10-^22克,每个原子亏损质量约为3.57*10^-25克,简单计算得出质量亏损率就约为0.00091538,也就是约0.09%。

1克铀-235原子就亏损了约0.0009克,也就是0.9毫克。

核裂变和核聚变都无法得到完美的质能转换

爱因斯坦发现了伟大的质能方程,也就是质量和能量是等价的,可以相互转换的,如果质量能够全部转化为能量,只要极小质量就可以爆发出巨大能量。这个理论揭示了更深层次的自然规律,原来纷繁复杂的大自然中,蕴含的规律会是这么简单。

这个规律为人类打开能源宝库的大门提供了钥匙,如果能够更多地提升质能转化率,就能够获得更多的能量。核裂变过程虽然转化的质量只占不到千分之一,但已经非常惊人了,1克铀-235如果全部裂变,产生的能量就约相当于19.36吨的TNT炸药当量,由此人们利用这个原理发明了原子弹和核发电。

但是,无论是核爆还是民用核反应堆,实际上都无法达到100%的核裂变质能转换。这是因为,铀-235的纯度无法达到100%,一般武器用铀-235纯度要求达到90%以上,民用核发电的核燃料铀-235含量纯度只要求达到5%。

在核裂变过程中,也很难实现所有铀原子完全裂变,因此以上1克铀-235可以得到的裂变能量只是理论值。广岛原子弹“小男孩”装药90%纯度的铀-235约45kg,爆炸的威力约13000吨TNT炸药当量,简单计算只相当约0.7kg铀-235全部裂变的质能转化能量。

即便这样,核子裂变的威力已经够大了。而核聚变的质能转换率可达0.7%,是核裂变的6~7倍,威力更强大,是迄今为止人类掌握的最大质能转化方式。但核聚变和核裂变都只能将质量极小一部分转化为能量,未来还有更大效率的质能转换方式吗?

质能转换能量开发任重道远

理论上,只有反物质湮灭才能够得到全部质量转化的能量,也就是说1份量的反物质和1份量的正物质碰到一起,会瞬间湮灭爆发出2份质量的能量,这个能量有多大?我们来简单计算一下1克反物质能够得到多大能量:

0.001*2*300000000^2=1.8*10^14J,就是180万亿焦耳,是核裂变的2200多倍,是核聚变的300多倍,是煤燃烧产能的60多亿倍。

这将是质能转换能够获取的最大终极能量。但反物质极其稀少,且非常难保存,因此要获取反物质能量是非常困难的,目前的所有尝试都是远远得不偿失。

那么,在目前掌握核聚变0.7%的最大职能转换率到反物质湮灭100%质能转化率之间,还有99.3%的巨大空白空间,还有什么样的方式能够得到更大的质能转换能量呢?希望你是下一个发现更大质能转换率新能源的人,期待。

你对这个问题怎么看?


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