核电站和烧火做饭原理其实是一样的！

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更多发布于：2015-12-21 14:05

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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。你身边的质能等价核电站常给人一种既神秘又高大上的感觉，但其实，其发电的原理跟我们日常生活中见到的现象，比如烧火做饭等等，本质上是相似的。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。以上反应发生在分子与分子之间，在更小的原子世界也如此，比如一个质子和一个电子共同结合成一个氢原子时要放出13.6电子伏的能量，而当两个氢原子不期而遇，结合成氢气分子时，也要放出4电子伏的能量. 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可见，微观粒子结合在一起时都会放出能量，它叫做结合能。那么结合能的能量是从哪儿来呢？根据爱因斯坦的质能方程，我们知道，能量的产生必然伴随着质量的亏损。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原子核由质子和中子构成，它们统称为核子。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当我们施加能量迫使两个夸克分开时，其施加的能量大到足以生成另一对夸克，因此，单独的夸克不能直接被观测到，或是被分离出来。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上面的聚变反应中同时还产生了一个中子，它携带14.1兆电子伏的能量，加起来是17.6兆电子伏的能量。这大约是一个碳原子和1个氧分子燃烧放出能量的429万倍。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？