百家讲坛《原子能的开发利用》高一(12)陈默文
大家好!今天我们讲原子能,总有人看了这个主题告诉我:这东西太难搞,怕是听不懂,其实没有想象中的那么困难,我将用最通俗的方式向大家讲一讲原子能的开发历史和利用前景,那么就让我们进入正题吧。
一、原子能开发历史
先讲讲原子能的开发历史。当然要不可避免地从原子说开去。公元前5世纪,中国墨翟曾提出过物质微粒说,他称物质微粒为“端”,就是不可分割的意思。但在战国时代,《庄子·天下篇》中却又提出了与之相对立的物质无限分割学说,也就是我们所熟知的“一尺之槌,日取其半,万世不竭”,虽然都挺纠结,但先人们用思辨的方法,在那个兵荒马乱的时代来指出这个问题,也是难能可贵的。公元前4世纪,古希腊人德漠克里特就提出来原子的概念(外国人就是比咱慢一步),后来古希腊学者伊壁鸠鲁又将这一观点向前推进一大步,他认为原子是不断运动的,(这一观点在1827年被证实,即我们熟知的“布朗运动”)物质的表现取决于原子的种类,排布方式等,这可以说是超人之见了,我们今天已经证实了他的观点。那么原子到底存不存在?古人没有给出答案,在整个封建时代,化学陷入了炼金术和炼丹的泥坑,致力于为统治者寻求财富和长生不老的秘方。更有甚者,为了争论“一个针尖里能住下几个天使”以及“天使吃什么东西”大打出手。在这个脑积水的时代,原子学说竟在长达20个世纪的时间中无人问津。
不过,进入了19世纪,历史就好像按下了快进键,科学(当然也包括原子能)在这一时期取得了巨大成就,1869年门捷列夫发现元素周期律,打碎了“原子不可分割”的理论,其实我们只要想一下也能发现,如此多的元素,如果它们没有类似的内部结构,他们怎么会那么“守纪律”呢?这从逻辑上也讲不通。接下来大家都有所耳闻了,道尔顿提出新的原子模型并翻新了原子理论,伦琴发现X射线,居里两口子发现了镭(Ra)。而作为世界历史上少有的女性科学家之一,并两获诺贝尔奖,这其中有许多值得我们一说。17岁的玛丽本应当出国留学(那时波兰大学不收女生),但因家境贫寒,她决定把这个机会留给姐姐,自己留下来当家庭教师,后前往巴黎求学,那时,她已27岁,在浪漫之都——巴黎,她结识了巴埃尔·局里,也就是她后来的老公,但皮埃尔这个人十个对女性有偏见的人,用刘备话说叫“兄弟如手足,老婆如衣服”,但见了玛丽一面之后,回家就把自己日记上关于女性偏见的话涂抹得一干二净(销毁证据啊,要不谁愿做他老婆?)1805年,二人喜结连理。
婚后三年,玛丽已考得硕士学位,接下来干什么?按顺序该考博士了,但在写博士论文时却有了新的发现。是什么呢?她发现铀矿石会自发放出射线,且射线强度与矿石中铀含量成比例,与一切外因无关。于是她就开始了思索得出的结论是:该现象是一种元素的特性,联系贝克勒尔的研究之后,她又发现钍及其化合物也有该性质。这种现象称之为“放射性”(radioative)具有这一现象的物质我们称之外“放射性物质”。
核能物理学的游戏终于开始了。
实际上,放射性物质放出多种射线,一种是带正电粒子流,成为?酌射线,它的质量为H原子4倍(实质上就是He原子),另一种是带负电的粒子流,成为B射线,(实际上就是运动得很快的电子)最后一种是一种穿透性很强且类似于X射线的R射线,这时一种极高频率的电磁波放射性物质在放出涉嫌同时,自身也发生“衰变”变成另一种元素,如Ra放出Ⅱ粒子并继续衰变。这至少说明一个问题:原子内部能量是巨大的,否则这些射线和粒子怎么会有如此高的动能?举个更形象的例子,还是Ra,1gRa每小时放出恩呢改良136卡,那么它完全衰变后产生能量28万千卡,相当于375kg的优质煤!如果把它放入一个0℃水中,6天后就可以把水加热到沸点。
既然原子内部有如此客观的能量,那么我们就要想办法把它释放出来并加以利用,但总不能靠自己去衰变啊,这样产生的能量太少而且太慢了,这里我们将提到另一个人,他为原子能的开发铺平了道路,他就是卢瑟福的学生,中子的发现者,查德威克,早在1896年,法国科学家,贝克勒尔发现放射性现象,当时的物理学家将它解释为原子的自发衰变,但是除了H之外,所有元素的原子量和质子数都不相同,这说明原子核中除质子外还存在其它微粒,这一说法最先由丹麦的波尔提出,后来他把这一想法告诉卢瑟福,卢瑟福猜想,应该有一种不带电的微粒,姑且称为“中子”,在世界闻名的卡文迪泽实验室,卢瑟福组织他的学生们设计了规模巨大的实验,希望将中子直接从原子核中“踢”出来,从而直接证明其存在,但历经许多年努力,一直没能成功。
事情在1930年取得转机,德国科学家玻西用?琢粒子轰击铍时发现一种前所未见的强辐射,它能直接穿透几厘米厚的铅板,在当时已知的射线中仅有r射线有如此强悍的能力,可惜玻西没有坚持日耳曼人一向严肃认真的态度,未作深入研究,直接把它当作r射线处理,而一年后,里奥·居里夫妇重做玻西的实验,当由C、H两种元素组成的石蜡遇到该射线时,石蜡中的质子竟被打了出来!谁也没有发现过r射线有这一特性,这两口子也草草下了结论:这时r射线的一种新特征。但查德威克敏锐地认为没那么easy,他反复实验,计算该射线的运动速度及其粒子的质量,这种射线的速度仅有r射线速度(光速)的1/10,当他用这种粒子轰击硼时,从新产生的原子核所增加的质量,计算加入到硼中去的粒子质量,结果算出新粒子的质量与质子差不多,他想到了老师多年前预测的“中子”,“中子!这是我们寻找的中子!”实验室中一片欢呼!
顺便提一句,这位先生在第二次世界大战中也参与了制造原子弹的“曼哈顿计划”,为原子弹的研制作出了巨大贡献。
那么,有了放射性、衰变、中子的发现,原子能是不是就已经被我们开发出来了呢?不,或者说还有很远,因为元素衰变太慢了,如U-235半衰期为1.84万年,它衰变完了,你连灰也没有了……于是,人们想尽办法促进这些粒子的分裂,这就是我们下面要讲的链式反应。
1938年人们首次注意到了铀被轰击后变成两种元素(铀有40多种裂变方式,当年应该是镧-141那一种),但他们忽略了一个重要的问题,也就是哈恩与里奥·居里夫妇后来发现的:铀核裂变的同时还放出2到3个中子!这又是一项惊人发现,简单来讲,若一个铀核被轰击裂变,同时放出2个中子,这两个中子又分别打击裂开的两个铀核,再分别分裂并放出2个中子,用数列表示为:20,21,22,23,24,…2n,(举个例子,设九里山加高6000米,某天降大雪,你从山上扔一个雪球,但当它到达山脚时变成了一个巨型雪球,直接压碎了一中办公楼……)这也就意味着,极其微小的中子,将有能力释放沉睡在自然界中几十亿年的物质巨人!这就是链式反应。
那么,铀核裂变的能量又从何而来?为什么如此巨大?下面这位伟大的科学家将为各位解答这个问题——阿尔伯特·爱因斯坦!我们都知道能量是守衡的,能量间也是可以相互转化的,比如王校长开车进学校,发现前面有位同学发型不合格,于是一脚刹车,欲下车教训。问:汽车动能呢?显然变成了刹车片的内能。这个初中小孩都会。但根据爱老爷子的推论,质量,也是能量的一种存在形式,而且是相当疯狂的形式。疯狂到什么地步呢?爱老爷子多年推出的公式告诉我们,△E=△mc2这就是举世闻名的质能转换方程式,由这一公式我们得出铀核裂变损失的能量△m(单位g)乘以光速单位cm/s即c=3×1010)的平方等于它转化的能量(单位尔格1尔格≈0.116兆电子伏特)各位都有质量,那么你们每个都是一堆疯狂的能量,我前两个礼拜闲着没事,算了一下把我同位全部转化为能量可供一个500w的空调马不停蹄运行300000年!所以,以后谁再说自己没能量学习,先算算这个。
在解释了能量来源的问题后,科学家们希望将链式反应的油门踩在自己脚下,以便于利用它。但是,历史再次打破了物理学的进程:法西斯崛起了,第二次世界大战在即。在1935年意大利街头到处是游行的法西斯党徒,不断狂呼:“绞死犹太人!”“墨索里尼永远正确!”犹太血统的物理学家,首次用中子轰击铀并发现放射性元素的费米一家都遭受迫害,好不容易熬到1938年,瑞典科学院决定授予他当年的诺贝尔奖,这下费米可高兴了不是因为有钱了(那个年代能活命就好,钱神马的都是浮云),只因为他可以冠冕堂皇地出国了,在领取诺贝尔奖后,他带着家人来到纽约,1939年,他又见到了玻尔,从他那儿,他得到一个可怕的消息,德国已率先实现了铀核的分裂,人类利用原子核内部能量的日子将为时不远。
费米二话没说,冲进哥伦比亚大学的实验室重新做了他5年前未成功的实验。结果不必再多说,那就是他也发现并意识到了链式反应的威力,但他立即联想到的是两个人——希特勒、墨索里尼!如果将链式反应应用于武器(就是我们后来的原子弹),那么将会死亡多少人?!人类又将面临怎样的灾难!
机缘巧合,西拉德找到费米(西拉德,匈牙利物理学家)决定起草一封建议研制原子弹的信,由爱因斯坦签名,美国总统罗斯福最终同意该计划(即曼哈顿计划),一场与恶魔比速度的生死竞赛就此展开。
于是,在费米的带领下,美国开始制造反应堆。
有人不解了,为什么造原子弹一定要建反应堆呢?由于原子弹是一种对技术、精度极高的武器,而且没有前车之鉴,所以需要一定的精确数据和实验经验,由于手头并没有纯的u-235,所以他们只好用含u-238 99.3%的天然铀做原料,(作用原理是u-238在快中子的作用下发生少量裂变,放出r射线变成u-239,再放出1个电子变成镎-239,再放出一个电子变成pu-239,钚-239在快、热中子的作用下都可以裂变,也是生产核武器的重要原料)
经过一年多的研究,他们决定用只含0.7%U-235的铀原料来完成这一壮举,1942年12月2日8时30分,20位科学家以及工程技术人员聚集在芝加哥大学的室内网球场,他们将点燃人类历史上首次原子火燃。
三个年轻人爬到反应堆上方,这也是最危险的地方,一旦链式反应失去控制,他们就会……(不是永垂不朽),于是,费米曰:“壮士!赐之镉(Cd)液!”任务十分明确,用镉液吸收中子,扑灭“原子大火”(合着都玩命了)。
9:45,实验启动
11:45,“轰隆”一声(别紧张,没爆),由电气控制的一根主控制棒提前掉下,链式反应没能发生,实验重新开始。
下午3:20,测定链式反应强度的盖克计数器更响一些,链式反应终于进入自持阶段,首次达到临界值,进入了工作状态!
“成功了!”在这静悄悄的网球场,人类首次利用原子能获得成功,世界能源从此进入了一个新的阶段,今天,在哥伦比亚大学的这间室内网球场门前,竖立着一块朴素的纪念碑,上面写着:“1942年12月2日,人类于此首次完成持续链式反应的实验,在可控制的核能释放上迈出了第一步”。
二、核武器
讲完了发展史,我们就要来看一看,作为一种新型的,强大的能源,核能怎样被人类所开发、利用。
但我不得不遗憾地指出,与其它许多新科技、新技术一样,核能首先服务于军事,作为武器,其实制造它的目的是好的,前面已说过,原子能、以及铀核裂变技术首先产生于德国,当时德意志的执政者正是希特勒,若是让这个战争狂人掌握了核弹的制造技术,世界多少人将生离死别?
出于此,罗斯福启动了制造原子弹的曼哈顿工程,在洛斯——阿拉莫斯,这片新墨西哥州被沙漠围绕的群山之中,建起了橡树岭工程区,以奥本海默为首的6明物理学家带着小型加速器等设备来到这里,但工作量巨大,到了1945年,橡树岭工程区发展到2000多名文职人员,3000多名军事人员以及1000多名物理学家,这里聚集了几乎当时世界上最优秀的物理学、化学、数学人才,他们为了阻止纳粹的铁蹄,宁可放下自己的研究来这里做一份具体的工作,正是因为他们,原子弹才得以研制成功。
那么下面我们就来看一下这种威力无比的武器的作用原理以及结构构造。
原子弹的爆炸原理是,在爆炸前,核装料在弹壳内分为几小块,每块都小于临界体积,(即能使链式反应进行下去的核装料最小体积)但他们的总体积却远远大于临界体积。弹药引信首先引爆普通裂性炸药(TNT),利用强大的爆炸冲击波的挤压作用,使那几块分离的装药迅速合拢,这时,弹内的镭铍中子源放出中子,引起裂变,在百万分之一秒的时间内放出巨大能量。
所以,不要以为原子弹的爆炸就是个大炸弹,“轰”的一声一座城市就平了,它的真正的爆炸是一场看不见的“原子大火”而那“轰”的一声,只是TNT引爆装置干的活。
原子弹根据引发机构不同可分为两种:“枪式”原子弹和“收聚式”原子弹。
1945年8月6日,投在日本广岛的原子弹“小男孩”就是一枚枪式原子弹,弹重4.09吨,长3.05m,直径0.711m,内装50多kg U-235,但实战爆炸威力仅有12500t TNT当量,若按1kg U-235完全裂变,理论威力值约18000t TNT当量,计算一下,装药量利用率只有2%左右,如果经过改进,“枪式”原子弹的效率可以提高到10%左右,仍然很低,但那2%已经让小日本吃了回苦,造成了118661人死亡。
一般的原子弹核装料需要16~25kg U-235或5~10kg鈈-239,刚才说的枪式原子弹易于制造,但装药利用率太低,而且很难用鈈-239作为原料。
与之相比,收聚式原子弹结构复杂,技术要求高,但它的核装料利用率更高,有20%左右,1945年8月9日投在长崎的名叫“胖子”的原子弹就是收聚式的,弹重4.54吨,长3.25米,直径1.525米,内装20kg鈈-239,当量22000吨核装料利用率6%,造成当场死亡74000人,重伤75000人,现在原子弹为复合式,利用率80%。
那么,随着技术的进步以及冷战的升级,人类又不满足于原子弹,制造了更恐怖的“三弹”,当然其中包括原子弹,另外两位“撒旦”为氢弹和中子弹,下面我来一一介绍。
氢弹,是利用核聚变反应释放巨大能量达到杀伤目的的原子武器,其核装料可以是氘和氚,也可以是氘化锂-6,而且,同时必须采用一枚小型原子弹作为引爆工具,氢弹弹壳中,装有 氘,另外有几块分开的U-235,爆炸时,TNT首先引爆,使U-235聚合发生链式反应,同时释放出热量,产生上千万度的高温,使氘发生聚变反应,在超高温下,氘和氚变为一团由赤裸裸的原子核,自由电子组成的气体,并高速相撞,放出氦的反应,产生巨大的聚变能。1952年,美国在太平洋上埃尼威克岛进行首次氢弹爆炸实验,当量1000万吨级,把该岛顿时一扫而光。
中子弹比前两者都要高级,又叫“弱冲击波强辐射工弹”望文生义,中子弹不是用冲击波进行破坏,而是在爆炸后产生大量中子和r射线,而且只杀伤有生力量,不破坏建筑设施,正因为如此,它的核装料只能用氘不能用氘化锂-6,而且要用铍做反射层,以求放出尽可能的中子。
随着核武器的发展,除了上述三弹外,又产生了电磁脉冲弹,r射线弹、感生辐射弹、冲击波弹及三相弹等多种核武器,但不管怎样,核武器作为军事上的终极武器,其发展余地是极其有限的。虽然科技含量高,杀伤力大,但大规模的核武器交战产生的严重后果是难以预料的,就算冷战的时候,美俄两家天天喊打,整天搞什么“核讹诈”,也就是不玩“核爆炸”,因为那是要承担后果的。
日本广岛、长崎被原子弹袭击后,天昏地暗,大气透明度下降4万倍,白天也成了黑夜,世界卫生组织估计,一次大规模核交战将直接消灭11亿人口,为计划生育做出巨大“贡献”,受重伤的人数也大体相同,活下来的人将面临水源、粮食的污染与缺乏,《我是传奇》中的场景将变为现实,虽然没有僵尸,但世界会一片死气沉沉。
假如有50亿吨当量TNT的核弹头在战争中爆炸,在其随后的20天内,天空会比阴云密布更加阴暗,只有比平时千分之一甚至更少的阳光会到达地面,这就是所谓的“核黑夜”,北半球温度处于零点一下,内陆平均温度降至-23℃以下,如果是100亿吨级(也就相当于全球战略核武器的8%),那么北半球地表平均气温降至-50℃,并在一年甚至更长时间保持在零点以下。
除此之外,空气中将充满CO,NO,NO2,O3, 化物、三氧化物以及呋喃等有毒气体(统称“热毒”),换言之,攻击者只能取得两周的“胜利”相当于自杀。这就是为什么我们讲核武器的发展是有限的,是不为人服务的,是不仁道的。科技的发展是为了走向阳光,而不是把自己拉向毁灭!
三、能源狂想曲
在我们这个星球上,住着60亿男女老少,随着现代工业的发展,我们每年消耗能量0.27Q(Q为能量单位,1Q=360亿吨标准煤完全燃烧产生的能量)目前这个数字还在增长。
看看我们还剩下什么?煤?快淘汰了,利用率太低,石油?50年之内消失,天然气?不可再生,海下的不好挖……能供我们未来几百年里可持续使用的只有两个:太阳能与核能。
遗憾的是,太阳能可被我们利用的实在太少,用多晶硅进行转化,超过15%就是极限了,而且,多晶硅的生产更是高耗能,高污染的产业,于是,时代迫使人类将目光投向核能。
核电站的发展在现在看来可谓生机勃勃,截止1992年6月底,全球已有26个国家,地区拥有核电站,全球17%用电量来自于核电,在核能和平利用的道路上,反应堆专家们设计过20多种反应堆,大部分被淘汰,余下的五种堆型在今天广为使用:石墨水冷堆、石墨气冷堆、压水堆、沸水堆和重水堆。
对于核电站,想必大家初中已有所了解,那什么一回路,二回路在这里不再多说,重点向各位介绍一下这五种堆。
石墨水冷堆,由苏联设计制造,1954年6月首次投入运营,石墨经过特殊工艺被制成对角线为137mm的正六边形柱块,堆砌在一起,形成直径3m,高4.5m的石墨砌体,外包不锈钢中有低浓铀,中间插有128根工艺管,22根控制棒,如果使工艺管(冷却管)内冷却剂沸腾,就是石墨沸水堆,单握功率更大,前景更光明,也就是说,只要增加预制块数目,功率就可以不受限制地增加,但它也有缺点,由于每根工艺管都是一个单个的核能输出单位,所以建立相应的检测控制网络并不简单,所以必须采用模块化才能有效降低成本。
石墨气冷堆,由英国设计制造,1956年12月投入运营,第一代气冷堆使用石墨做慢化剂,用CO2作冷却剂,天然锂作核燃料,镁合金作结构材料,但是,由于气体导热性比水差,每立方米功率只有0.55兆瓦,CO2出口温度也仅345℃,热效率19.1%,后来,英国人怒了,把工作压力由8个大气压提高到20个大气压,电热效率也相应地上升到了30%,貌似还不够高。
在第一代气冷堆基础上,第二代采用一种类似陶瓷的UO2,(二氧化铀),耐热性增强,允许堆芯出口温度达到670℃、气压达到40个大气压,单推功率60万kw比第一代高出2倍以上,这种堆型仍在不断发展之中,作为最先进的反应堆,而且还能产生清洁能源——氢,很有前途。
压水堆
由美国设计制造,目前应用最为广泛,也是我国未来发展的主要堆型,我国目前建成投入运营的大亚湾核电站,泰山核电站,都采用了压水堆,压水堆最初用于核潜艇与二战时期的潜艇根本不在同一水平线上。核潜艇甚至可以长时间深度潜航穿过北极冰层。压水堆以不锈钢为包壳的核燃料棒,发展成高功率的合金燃料棒,并采用液态中子的吸收剂——含硼水,使其平均功率从58KW/L提高到100KW/L。
但从长期运行角度来看,压水堆有一个薄弱环节,那就是蒸汽发生器——传热管壁不足1.5mm却要用它隔离,带有放射性的一回路冷却剂和不带放射性的二回路冷却剂,一旦泄露,不得不立即停堆修理,目前科学家正在寻找延长其寿命的方法,这也是这种堆型发展比较缓慢的原因。
沸水堆,从特点上来看,沸水堆最大特点就是在堆芯中出现了蒸汽,我们都知道,它的冷却剂也是水,但气泡不会吸收中子,也就是说,产生气泡在提升效率的同时,也降低了中子吸收量,这种集正面与负面为一身的影响称为“空泡效应”。
在其堆芯中,水从下向上通过堆芯,核燃料为2%含量的U-235。水在其中上下循环,提升利用率16O在吸收中子后放出质子,衰变成14N,同时放出大量r射线,这与压水堆差不多,目前,沸水堆的发展仅次于压水堆,为全球第二,有光明的前景。
重水堆
由加拿大电气公司首创,重水是重气 与O的化合物,其比重为1.1,(沸点、101.4℃,凝固点3.8℃),在天然H2O中含量仅0.02%,却是极佳的慢化剂,因为几年不吸收中子(本身就是同位素),所以可用U-235含量0.7%的天然锂做原料。
而且,更加令人看好它的是,该型堆在补充核燃料时不用停堆!而是像工厂里的机床一样从后面把核燃料送进去就可以了,毕竟反应堆停堆是个麻烦事。控制不好还容易出事儿(比如切尔诺贝利事故)。而且,加拿大建于1973年的皮克灵商用核电站4号堆仅用12天就从临界达到满功率,创造了当时世界上各种反应堆运行的最佳记录。
重水堆对于想利用本国锂资源却不具有铀浓缩能力的国家比较合适。
那么,对反应堆的介绍我们到此为止。
下面,让我们来展望一下它的未来。
首先我要讲一个真实的故事:那是1908年6月30日早晨7点,俄国西伯利亚平原,一片森林的上空,发生了一次罕见的爆炸:方圆数百千米外的居民,看到天外飞来一个巨大的火球,很快变成一根擎天火柱,接着是一声巨响,大地震颤。
随之而来的冲击波把周围方圆30KM的森林一下抹平,远在400KM外的房子屋顶被掀走,树林燃烧,动物烧焦,蘑菇状的烟云冲上19千米的高空,整个地区普降黑雨,而且还出现了磁场干扰。
这就是当时震惊世界的通古斯大爆炸!
物理学、天文学至今对此众说纷纭,目前有两种主流的说法:一是小行星撞击说,二是外星飞船坠落说,从可能性角度来看,我更倾向后者。从现场勘测来看,树木等的放射性特征与被原子弹轰过的广岛类似,而且土中有高温熔融而凝结的硅酸盐颗粒。
模拟程序显示,这艘不明星球的核动力飞船在进入地球轨道时出现发动机故障,应做了一次飞行姿态调整,但无力回天,终因核装置触发而产生了灾难性的爆炸。
如果设想成立,那么我们就得知,100多年以前,已有外星人借助核动力飞船造访地球,而100多年后的今天,我们的星际交通工具仍是在他们眼中龟速前进的化石燃料火箭。
那么,核动力是怎么应用于航天的呢?目前被认为较成功的一个设想是核聚变火箭:向后喷射粒子流,产生小型核爆炸,利用反推力推动火箭前进,目前仍在研究之中,但,谁会确定地说不可能呢?正如我们当时发现原子能的时候,谁会想到它今天会如此强大?
谁又会对美好的明天说不呢?
年轻的朋友,科学的发展是无止境的,为了明天灿烂的阳光,让我们一同奋斗,说不定,在场各位中将有人为我国进入核子时代举起前进大旗呢!就说那么多了。
感谢大家!