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多少千克的铀-235或钚-239若完全裂变

来源:www.dbkyw.com   时间:2023-05-28 00:07   点击:123  编辑:admin   手机版

多少千克的铀-235或钚-239若完全裂变

原子弹是利用重核裂变瞬间释放出巨大能量,引起杀伤破坏的武器。

原子弹里用于裂变的材料是铀或钚两种元素的同位素――铀-235或钚-239,它们的原子核在接受到一个中子后,就会分裂成大小、重量差不多的两个原子核,同时释放出约200MeV的能量。

举例来说,铀裂变有时产生氪(36号元素)和钡(56号元素),反应方程式为:235U+n―→236U―→140Ba+93Kr+3n。

这个能量差不多能使你肉眼能看到的最小的沙粒跳一下了。相比之下一个碳原子返氏燃烧产生的能量只有4.1eV(200MeV=200000000eV),仅是裂变能量的5千万分之一。

这只是一漏姿散个原子裂变放出的能量,学过化学的人都知道,1摩尔铀-235里面有6.02×10^23个原子,也就是超过6千万亿亿个铀原子,总重235克。铀的比重和黄金差不多,所以1摩尔的铀也就和250克的金条差不多大,可以放在手心里。

这些原子如果全部裂变的话,能量相当惊人,差不多相当于600吨煤完全燃烧所释放的能量。1kg的铀-235或钚-239完全裂变,释放出的能量大约等于2万吨烈性的TNT炸药爆炸的威力。

铀-235的原子核裂变时,还会放出中子,有时一个也没有,有时能达到6个,平均有2.5个。这就是说,一个中子引起的核裂变,会放出2.5个中子。

而这些中子又会引起周围原子核的裂变,于是就会象雪崩一样引起一连串的原子核裂变,这个过程就叫链式反应。

但是这些中子未必都会引起新的册正裂变,譬如由于原子核十分微小,所以中子不一定能接触到铀核,如果铀块不够大的话,有些中子就会飞出铀块,不能引起新的裂变。当然,铀块中的杂质也会吸收中子,使新的裂变不能进行。

1克铀-235裂变产生的能量相当于多少煤?

一克铀-235大约需要数百亿年才能彻底释放其能量,因为一克铀并不能以链式反应的方式产生裂变,原因是它的无法达到临界质量,不过可以只用来计算每一克铀释放的能量,那么它到底有多大呢?

一克铀彻底裂变释放的能量相当于2.9吨标准煤

铀的能量是通过重元素裂变所释放的,有比较简便的计算经验计算方式,或者采用每摩尔铀-235原子的数量,再按单个原子裂变的产生的能量计算,两种都差不多,我们可以简单做个计算!

简便计算

U-235裂变时质量亏损大约为0.0946%,也就是1克铀彻底裂变后质量会减少0.0946%,这些减少的质量会被彻底转换为能量,尽管它产生的质量变化极小,但以质量转变为能量的计算方式是爱因斯坦的质能转换:

E=mc²

c为光速,m为质量,单位为千克,因此一克铀-235彻底裂变所产生的能量大约是:

85,022,239,908.5J

另一个方式是按每一铀原子裂变的能量来计算,铀-235裂变大约能产生207MeV的能量,1克铀235大约为0.004255摩尔,而一摩尔铀大约是6.0221415 × 10^23个铀原子,那么总共有2.562 × 10^21个原子!1Mev大约为:3.312×10^-11J,那么全部裂变产生的能量为:

84,838,950000.0J

两者大约相差0.21%,主要是四舍五入造成的,不过经验公式已经很精确了,毕竟这是粗略计算,算个大概也就差不多了哈!

这些能量大约相当于多少标准煤呢?1吨标准煤的热值大约为29270MJ,那计算得约为2.9吨标准煤!大概一拖拉机不到一点(超载),所以各位可以想象一下,1克铀-235而已,如果全面普及它将减少多少污染排放呢?

为什么一克铀无法裂变,铀的裂变过程是怎样的?

从理论上来看,无论是多少铀都能裂变,只要持续不断朝它轰击热中子即可,但问题是能让铀-235裂变的热中子源成本是很高的,用这种方式取得的裂变能源得不偿失!这个难题完全可以用另一种方式来解决:链式反应!

这种方式的原理很简单,即一颗铀原子在受到热中子轰击后会裂变成氪-92和钡-141,并且释放出2-3个中子,这些多余的中子经过减速剂减速后又能让其它铀原子裂变,变成自持裂变!而且还可以用中子吸收的控制棒来吸收这些多余的中子,控制核反应堆的整体输出能量,做到链式反应速度可调,那就是一个完美的核反应堆了!

不过中学课本中就有说明,原子内部的空间是非常空旷的,原子核就相当于万人体育场中间的篮球,在几公里外的位置向体育场扔一个篮球,要命中这个篮球的概率几乎等于0,那么怎么办呢?既然一个体育场扔不中,那么就用无数个体育场,扔出去总有一个会碰到的!

这些无数个原子构成的原子篮球场,每次扔一定会命中一个的总数就是裂变材料的临界质量,简单的说就是达到这个质量后,就比较容易产生自持裂变了!比如铀-235的临界质量是52千克,但很多资料中称是15千克!其实也没错,那是加上了中子反射层后的临界质量,那样就能将飞出核材料外的中子反射回来继续参与裂变!

核裂变除了释放出巨大的能量外,还有令人厌恶的放射性污染。

听上文的介绍,核裂变是一种几乎完美的能量,它可以裂变,只要足够的核材料,只要启动下就能自己裂变,还可以用控制棒改变输出能量,一克铀就有2.9吨标准煤,这还不够完美吗?从这个角度来说却是完美无瑕,但它有两个致命缺点!

这个是制作原子弹的材料,一克它等价于几万吨的煤,是非常厉害的。

要想得到1克铀-235裂变产生的能量,大约需要让2.8吨标准煤完全燃烧。

1克铀-235裂变产生的能量大约相当于2.7吨标准煤完全燃烧释放的能量。

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