化學 - 核能

介紹

• 核反應釋放巨大的能量（稱為核能），核電站利用核能發電。

• 核能通常由**核裂變、核聚變**和**核衰變**產生。

• 1938年，德國化學家奧托·哈恩、弗裡茨·施特拉斯曼和奧地利物理學家莉澤·邁特納進行了一系列實驗，研究了中子轟擊鈾後的產物。實驗結果表明，相對較小的中子將巨大的鈾原子核分裂成兩個大致相等的部分，並釋放出巨大的能量。

• 奧托·哈恩及其同事的核實驗被稱為核裂變。

核裂變

• 核裂變過程產生自由中子和伽馬光子，同時釋放出大量的能量。

• 核裂變是一個放熱反應，可以以電磁輻射和動能的形式釋放大量能量。

• 核裂變有時可以自然發生（即無需中子轟擊），作為一種放射性衰變。

核裂變型別

• 以下是主要的核裂變型別：

  • 鏈式反應和

  • 裂變反應

讓我們簡要討論一下它們：

鏈式反應

• 當一個核反應導致一個或多個後續的核反應時，就被稱為鏈式反應。

• 這種鏈式反應增加了自發傳播的核反應系列的可能性。

• 核鏈式反應比任何其他化學反應釋放的能量要多出數百萬倍，因此也稱為爆炸性或不受控制的鏈式反應。

• 當一個重原子發生核裂變時，它通常會分裂成兩個或多個裂變碎片。在此過程中，會釋放出一些自由中子、伽馬射線和中微子，最終釋放出大量的能量。

• 以下是兩個鏈式反應的例子：

  • ²³⁵U + 中子 → 裂變碎片 + 2.4 箇中子 + 192.9 MeV

  • ²³⁵Pu + 中子 → 裂變碎片 + 2.9 箇中子 + 198.9 MeV

• 原子彈利用了鏈式反應技術，因為它需要持續的能量來源。

裂變反應

• 裂變反應中，中子（由燃料原子的裂變產生）被用來誘導更多的裂變以釋放可持續的能量，這種反應被稱為裂變反應。

• 這種反應緩慢且可控，因此也稱為可控鏈式反應。

• 發電的核反應堆是可控鏈式反應的理想例子。

• 根據性質和用途，裂變/可控鏈式反應被分類為：

  • 動力堆

  • 研究堆

  • 增殖堆

• 這些動力堆通常將裂變產物的動能轉化為熱能；此外，熱能被用來加熱工作流體，驅動熱機，最終產生機械能或電能。

核反應堆的基本部件

• 以下是核反應堆的基本部件：

  • **核燃料** - 如鈾（²³³U、²³⁵U）、釷（Th²³²）、鈽（Pu²³⁹）。

  • **慢化劑** - 用於控制發射的中子。例如重水、鈹、石墨等。

  • **冷卻劑** - 用於冷卻反應堆。例如水、蒸汽、氦、CO₂、空氣、熔融金屬等。

  • **控制棒** - 用於啟動和停止裂變反應。例如鎘或硼棒用於此目的。

核聚變

• 兩個輕核融合成一個重核的過程稱為核聚變；在此過程中，會釋放出巨大的能量，稱為核能。

• 核聚變的最佳例子是氫彈。

• 氫彈的威力大約是原子彈的1000倍。