【科學科普】為什麼只能用鈾和鈈來做核燃料?而其它的元素卻不行

薛定諤的貓 2021/05/08 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

人類的生存離不開能量的供應,我們平常所使用的通常都只是化學反應所釋放出的能量,從微觀角度來看,化學反應只是涉及到原子的外層電子,而更強大的能量,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用還是小有成就的,迄今為止,人類已建成了數百個以核裂變為基礎的核電站,不過這些核電站所使用的核燃料都是鈾和鈈。

那麼問題就來了,地球上那麼多重元素,為什麼只能用鈾和鈈來做核燃料?而其它的元素卻不行呢?下面我們就來聊一下這個話題。

原子核是由質子和中子構成,對於反物質而言,構成其原子核的則是反質子和反中子,我們把這些構成原子核的粒子統稱為「核子」,一個原子核所包含的「核子」越多,其質量就越大,但科學家卻發現,不同元素的原子核,其「核子」的平均質量卻是不一樣的。

在已知的所有元素中,鐵原子核的「核子」平均質量最低,而其它元素的「核子」平均質量則會隨著原子序數的增加(原子序數比鐵大)或減少(原子序數比鐵小)而逐漸遞增。

這就意味著,原子序數低於鐵的原子核發生核聚變,或者原子序數高於鐵的原子核發生核裂變,都會出現質量虧損,而這些虧損的質量就會轉變成能量,這可以通過愛因斯坦的質能方程式「E=mc^2」來進行描述。

儘管從理論上來講,只要是原子序數比鐵大的原子核就可以通過核裂變來釋放出能量,但由於科技水準的限制,人類並不能隨心所欲地在原子核的尺寸上來操縱物質,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,其本身的穩定性就越差,也就越容易發生核裂變,釋放的能量也就越多,所以最佳選擇就是元素週期表中的錒系元素。

2、能夠大量獲取:錒系元素包括錒、釷、鏷、鈾、錼、鈈、鋂、鋦、錇、鉲、鎄、鐨、鍆、鍩和鐒等15種元素,其中只有錒、釷、鏷、鈾、錼和鈈在自然界中存在,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、能夠長期穩定地存在:錒系元素都是放射性元素,它們會自發地發生衰變,很顯然,半衰期太短的元素是不適合用來作為核燃料的。

4、能夠進行自持式鏈式裂變:要我們一個接一個地去「掰開」原子核是不現實的,所以最好就是我們只需要提供一個啟動的步驟,然後核燃料就可以在不需要外界能量的情況下,持續地發生核聚變並釋放出能量。

如上圖所示,一個原子核發生裂變之後會釋放出幾個中子,如果這些中子數量能量足夠高,就可能會引發其它原子核的裂變,這就被稱為「自持式鏈式裂變」。

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和鈈-239能夠同時滿足以上所有的條件,正是因為如此,人類目前通常都只能用鈾和鈈來做核燃料。

補充說明一下,雖然自然界中的鈈-239非常少,但是鈈-239卻可以通過人工核反應大量合成,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,在此之後,該原子核就會發生β衰變,從而在短時間內轉變成鈈-239(以錼-239作為中間體)。

總而言之,地球上的其它元素並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的科技。不過可以想象的是,隨著人類科技的不斷進步,核燃料就不會只限制於一些特定的元素,或許在不太遙遠的未來,人類甚至還可以直接用隨處可見的石頭來做核燃料。

 

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