核电站和烧火做饭原理其实是一样的!
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![]() | 习大大访英期间,我国斥资约588亿元拿下英国核电大单,最让国人骄傲的是,我国自主研发的“华龙一号”压水堆核电技术将用于英国布拉德韦尔核电站项目。
这是我国核电技术第一次出口到老牌发达国家,很多网友高兴的同时,更希望对诸如“压水堆”、“重水堆”、“快中子增殖堆”以及核电的原理有更进一步通俗易懂地了解。 鉴于此,咱们今天就来一起愉快地聊聊核电。 ![]() 例如,空气中的水蒸气凝结成水时会放出热量,而水结冰时也要放出能量,这个能量从广义上来说叫做“结合能”. 判断会不会放出结合能的方法之一是,根据逆反应进行推断,比如,把水变成蒸气需要加热,把冰融化成水也需要加热。反过来就可以推出,水蒸气液化成水,水凝固成冰,当然要放出能量了。 ![]() 还有,当一个碳原子和两个氧原子结合,也会产生“火花”(碳的燃烧现象),它们生成一个二氧化碳分子,并放出4.1电子伏的能量。 ![]() 燃烧就是一个结合并放出结合能的过程 华裔美籍物理学家徐一鸿(Anthony Zee)在他的著作中这样说:事实上,在烧一截木头时,如果我们仔细地称量了木块、灰烬、炭碴和闪着火焰的热气的质量,就会发现,有一小部分质量消失了,它们被转变成能量了。 只是,诸如像氧气和碳结合成二氧化碳这种燃料现象,质量亏损极少,难以计量,所以在化学反应中,我们通常不说结合能,而说化学能。 即使如此,我们也要站在一个更高的角度来认识质量和能量的关系,正如英国物理学家,亚利桑那州立大学教授保罗·戴维斯在他的书中所言的观点:质量就是锁闭起来的能量,而能量就是释放了的质量。 如此说来,咱们可是一直在使用结合能呢,比如北方的冬天,为防止地窖中储藏的食物被冻坏,一个办法是在地窖里放一大桶水,这一桶水在逐渐变成冰块的过程中放出热量,从而防止温度过低。 还有,所有的烧火做饭也都是在释放结合能,且这种能量比前者要大得多。 打开原子之门 既然大到分子之间、原子之间的结合都能放出能量,那么小到原子核的内部——原子核之间的结合更能放出能量了,且这种能量更为巨大。 等等!我读书少,你可不要骗我,咱们现在讨论的是核电,而核电采用的铀原子分裂从而产生能量的,但你现在说的却是因“结合”而产生的能量,这不是相反的吗? 别急,虽然人类先有原子弹,才有氢弹,先有核电站,才有……其实到现在也没有聚变电站。在无数人的眼中,不管怎样,聚变看上去都要比裂变高贵得多,然而,在原理上,聚变反而更简单一些,而裂变却稍微要绕一点儿,虽然它们的本质原理都相同。 因此,虽然咱们说的是核电,到不如先从聚变一步步推出裂变为好。 原子核和电子共同组成了原子,在原子中,99.9%的质量是由原子核贡献的。 也许是巧合,在咱们的太阳系中,太阳的质量占到太阳系的99.86%。这么来看的话,地球、火星等行星的质量在太阳系中是多么的微不足道。 不过,虽然原子核占据了原子几乎所有的质量,但它的体积却只占原子体积的几千亿分之一。 ![]() 原子、原子和与大厦、大厦内电梯按钮的类比 一个质子的质量是1.007277u(u是用来衡量原子的质量单位),一个中子的质量是1.008665u,两者相加的质量是2.015942u。 按理是这样的,但实际上,当一个质子和一个中子共同组合成氘核的时候,其质量只有2.013552u,亏损了0.00239u。 根据爱因斯坦的质能方程,其转换的能量为2225000电子伏,这大约是一个碳原子和1个氧分子燃烧放出能量的54万倍。 夸克禁闭 很多人在了解以上这些事实后,会情不自禁地总结出这么一个规律,即两个微观粒子,越小,结合能似乎就越大。 比如水结冰是分子与分子间作用力导致的,而燃烧是原子与原子的作用,到聚变时又是核子之间的作用,于是有人禁不住猜想,质子和中子都是由夸克组成的,要是把不同味的夸克结合在一起,放出的能量岂不是比聚变来得更有效率? 然而不幸的是,由于“夸克禁闭”,夸克不会单独存在,我们至今未能发现单独存在的夸克。 ![]() 夸克禁闭动态示意图 所以,到此为此吧,目前核聚变才是人类利用能源的最高级,同时也是最有效率的方式。 化石燃料就像地窖里的500年陈酿 ![]() 氢的两个同位素氘原子核和氚原子核高速碰撞而聚合 上面动图中,是氢的两个同位素氘原子核和氚原子核高速碰撞从而聚合在一起,变成氦原子核,并产生3.5兆电子伏能量 ![]() 聚变反应过程 如此高效的能源生产方式,若是不想办法利用它为人类的美好生活服务,实在是浪费的很!太阳以及宇宙中所有的星辰已经给我们做出示范,在能源日益紧张的今天,人类又怎能经得住它的诱惑? 就像牛肉,你说它如何如何不好,但你知道吗?你的大白米饭快吃完啦!就算你毅力强,现在能抵御牛肉带来的诱惑,但是以后呢? 煤和石油用一点就少一点儿,它们就像你后院地窖里的500年陈酿,喝一口就少半两,我们绝不能等到一切都捉襟见肘时,才被迫去研究如何获得聚变和裂变带来的能源。 嗨,你可总算说到了当今核电站使用的裂变了,我们都记得,它可是铀原子的分裂而产生能量的,而不是结合!这又是怎么讲? | |
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