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為什么只能用鈾和钚來做核燃料?而其它的元素卻不行?

人類的生存離不開能量的供應(yīng),我們平常所使用的通常都只是化學(xué)反應(yīng)所釋放出的能量,從微觀角度來看,化學(xué)反應(yīng)只是涉及到原子的外層電子,而更強(qiáng)大的能量,則隱藏在原子核之中,也就是所謂的核能(也稱原子能)。

人類獲取核能主要有兩個途徑,即核聚變和核裂變,簡單來講,核聚變就是將若干個輕原子核“捏”在一起,核裂變則是將重原子核“掰開”。

就目前的情況來看,雖然人類還無法有效地掌控核聚變釋放的能量,但人類對核裂變的應(yīng)用還是小有成就的,迄今為止,人類已建成了數(shù)百個以核裂變?yōu)榛A(chǔ)的核電站,不過這些核電站所使用的核燃料都是鈾和钚。

那么問題就來了,地球上那么多重元素,為什么只能用鈾和钚來做核燃料?而其它的元素卻不行呢?下面我們就來聊一下這個話題。

原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成,對于反物質(zhì)而言,構(gòu)成其原子核的則是反質(zhì)子和反中子,我們把這些構(gòu)成原子核的粒子統(tǒng)稱為“核子”,一個原子核所包含的“核子”越多,其質(zhì)量就越大,但科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn),不同元素的原子核,其“核子”的平均質(zhì)量卻是不一樣的。

在已知的所有元素中,鐵原子核的“核子”平均質(zhì)量最低,而其它元素的“核子”平均質(zhì)量則會隨著原子序數(shù)的增加(原子序數(shù)比鐵大)或減少(原子序數(shù)比鐵?。┒饾u遞增。

這就意味著,原子序數(shù)低于鐵的原子核發(fā)生核聚變,或者原子序數(shù)高于鐵的原子核發(fā)生核裂變,都會出現(xiàn)質(zhì)量虧損,而這些虧損的質(zhì)量就會轉(zhuǎn)變成能量,這可以通過愛因斯坦的質(zhì)能方程式“E=mc^2”來進(jìn)行描述。

盡管從理論上來講,只要是原子序數(shù)比鐵大的原子核就可以通過核裂變來釋放出能量,但由于科技水平的限制,人類并不能隨心所欲地在原子核的尺寸上來操縱物質(zhì),因此人類只能選擇核裂變難度最低的元素來做核燃料,這大概需要滿足以下幾個條件。

1、原子核要足夠大:這個道理很簡單,原子核所包含的“核子”越多,其本身的穩(wěn)定性就越差,也就越容易發(fā)生核裂變,釋放的能量也就越多,所以最佳選擇就是元素周期表中的錒系元素。

2、能夠大量獲?。哄H系元素包括錒、釷、鏷、鈾、镎、钚、镅、鋦、锫、锎、锿、鐨、鍆、锘和鐒等15種元素,其中只有錒、釷、鏷、鈾、镎和钚在自然界中存在,其它的則只能通過人工合成。可以看到,只是這個條件就淘汰了很多核燃料的“候選者”。

3、能夠長期穩(wěn)定地存在:錒系元素都是放射性元素,它們會自發(fā)地發(fā)生衰變,很顯然,半衰期太短的元素是不適合用來作為核燃料的。

4、能夠進(jìn)行自持式鏈?zhǔn)搅炎儯阂覀円粋€接一個地去“掰開”原子核是不現(xiàn)實(shí)的,所以最好就是我們只需要提供一個啟動的步驟,然后核燃料就可以在不需要外界能量的情況下,持續(xù)地發(fā)生核聚變并釋放出能量。

如上圖所示,一個原子核發(fā)生裂變之后會釋放出幾個中子,如果這些中子數(shù)量能量足夠高,就可能會引發(fā)其它原子核的裂變,這就被稱為“自持式鏈?zhǔn)搅炎儭薄?/p>

5、核燃料的裂變過程必須是可控的,否則的話就……

在已知的所有元素中,只有鈾-235和钚-239能夠同時滿足以上所有的條件,正是因?yàn)槿绱?,人類目前通常都只能用鈾和钚來做核燃料?/p>

補(bǔ)充說明一下,雖然自然界中的钚-239非常少,但是钚-239卻可以通過人工核反應(yīng)大量合成,簡單來講就是,我們可以通過人工方式讓鈾-238原子核捕獲到一個中子,在此之后,該原子核就會發(fā)生β衰變,從而在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變成钚-239(以镎-239作為中間體)。

總而言之,地球上的其它元素并不是不能用來做核燃料,只是人類目前還暫時沒有掌握相應(yīng)的科技。不過可以想象的是,隨著人類科技的不斷進(jìn)步,核燃料就不會只限制于一些特定的元素,或許在不太遙遠(yuǎn)的未來,人類甚至還可以直接用隨處可見的石頭來做核燃料。

好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關(guān)注我們,我們下次再見`

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