【科學奧秘】第九集: 核能奧祕解析--原子核反應的巨大能量

玉言又止

更新於 2024/03/05發佈於 2024/03/05閱讀時間約 9 分鐘

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大家好, 這裡是科學奧秘, 我們今天要講的是, 核能。宇宙中的能量有很多種, 最大的能量當然就是全宇宙的能量, 但在我們人類可以感知的範圍內或者說可以直觀感受到的巨大的能量中, 核能是最令人畏懼的了。核能的威力即可以用來為人類綠色發電, 也可以用來摧毀一切生命。但是科學, 從來都不應該是用來傷害生命的工具。那核能如此大的威力到底是甚麼原因呢? 我們今天來一起分析看看。

一.核能的產生

核反應

核能, 是通過核反應而獲得的能量, 一般用來發電, 產生的整個過程也是人為可控的, 不可控的就是核武器了。

而核反應又分為三類, 包括核衰變, 核裂變和核聚變。我們所用來發電的核能大部分都是通過核裂變產生, 核裂變則是在核反應器裡產生, 而核電廠就是放置核反應器的地方。從核電廠這個名字就能看出, 主要是用來發電的。

但核裂變並不是第一個被發現有關原子核巨大能量現象的證明, 在這之前, 核衰變是最先被發現的, 這之後才是核裂變, 然後是核能發電。

二.核衰變

那核衰變在自然界中是隨處可見的, 其中阿爾發衰變和貝塔衰變最為常見, 在自然輻射中, 就可以產生這兩種衰變。在自然輻射過程中, 原子核會釋放出阿爾發粒子或貝塔粒子和其他亞原子粒子。那基於科學的直覺, 科學家們會想, 這個過程是否「可逆」? 於是核衰變開始走進了實驗室, 核裂變的面紗便開始被一點點地揭開。

可逆

實驗中, 科學家們發現, 當使用阿爾發粒子快速轟炸某一個穩定元素的原子核時, 會生產出另外一種相比該原子核, 質量數增加3和原子數增加1的更重的子元素, 這就是最初的「核反應」了。

三.核嬗變反應

這些核衰變的對象都是輕質量的元素, 比如氮14同位素和鈹9同位素。當粒子加速器中經過加速的阿爾發粒子快速對準氮14同位素的原子核進行轟炸時, 會發生非彈性散射現象, 高能量粒子被突然注入到原本穩定的原子核內部那一刻, 原子核的穩定狀態會被打破, 原子核內部的束縛力也被打破, 於是, 化學反應的基礎形成了, 透過阿爾發粒子中的質子和中子, 和氮14原子核產生反應, 產生出了新的更重的氧17, 外加一個發射出來的質子, 該原子核再度回到了穩定狀態, 但是它變成了一個全新的元素。那這個過程就叫做核嬗變反應, 因為融合並產生了新的元素的關係。

四.U-235的核裂變

那如果是超重元素被轟炸, 又會發生甚麼呢? 於是, 核裂變就在這個過程中被發現了。

但不是任何一種超重元素都可以產生核裂變的, 在眾多元素中, 只有質量數大於104的元素才會產生核裂變, 而且這種核裂變反應的速度是超乎尋常的快, 眨眼之間就可以產生好幾次反應。這種裂變反應, 顧名思義, 就是分裂的反應。其中, 以鈾235同位素為準, 這是生產核能或核武器的首選燃料之一。大自然界含有豐富的鈾元素, 鈾-235可以從裡面提煉出來。發電的核能一般使用鈾235含量較低的, 大概2-5%的鈾即可, 而核武器則會選擇使用含量非常高的, 90%以上的鈾來作為原料。

核裂變

而鈾235又被稱為裂變同位素, 因為它在被粒子轟炸時, 會產生分裂, 並發生核嬗變反應, 生成新的同位素元素。鈾235和鈽239都是典型的裂變同位素, 是產生核能很好的原料, 而後者則更多用於核武器, 因為更加獲得和更容易生產的特性。

水滴模型

想要清楚解釋核裂變反應, 我們必須用到水滴模型。甚麼是水滴模型, 就是呈現整個核裂變過程的模型。假設用一顆水滴, 快速注入面前的一小片水滴, 我們會發現, 在這顆水滴快要接觸到這一片水滴之前, 它會像被吸過去一樣加快速度和那片水滴結合, 結合之後, 這一片水滴會出現類似於變形分裂成兩片的現象, 而如果衝擊的那一顆水滴速度夠快, 那這一片水滴就會徹底分裂成兩片獨立開來的水滴, 這就是核裂變具象化的整個過程了。

U-235核裂變

當我們用中子, 高速轟炸鈾235同位素時, 原本穩定的鈾235, 平衡狀態被打破, 形成不穩定狀態, 這個過程中, 巨大的熱能會釋放出來, 成為化學反應的基礎, 產生新的元素。而又因為遭到巨大的衝擊, 鈾235開始分裂, 它會分裂成兩個質量數較輕的氪92和鋇141, 或者氙140和錫的同位素等等這些隨機附產物, 並且每一次裂變都伴隨著爆炸, 因為巨大熱能釋放的關係。

這個過程中也會像衰變一樣, 發射出兩到三個高動能的亞原子粒子, 只不過不是質子, 而是中子。如果你有看過電漿球那一集, 你會發現這些附產物的名字非常熟悉, 沒錯, 就是我們之前講到的離子, 也就是說, 核裂變本身也包含離子態演變的過程, 所以它也是一個放熱過程, 這就導致, 分裂出的附產物的熱能會逐漸降低, 也就意味著這些附產物的原子核束縛力也變得更加強大, 更不容易被轟炸來進行第二次的核裂變反應。

而鈾235在被中子轟炸後, 會通過產生附產物和發射中子來釋放多餘的能量以重新達到穩定狀態, 所以這些被發射出的中子會具有極高的動能, 但附產物無法吸收中子, 意味著中子轟炸這招無效, 所以不能夠再繼續進行第二次的裂變反應。

五.連鎖反應

那只是一次性的核裂變反應是不可能提供如此大的核能的。我們需要的是更多次, 不停的重複反應。於是「連鎖反應」這個詞就出來了, 也是核能產生的關鍵的關鍵。

連鎖反應

那「連鎖反應」是怎樣產生的?

首先, 我們已經通過鈾-235的第一次裂變, 有了充足的中子, 如果再補充更多的鈾235, 是不是就會有更多的裂變了呢? 沒錯, 答案就是這麼簡單。科學家們在核裂變反應裡增加了鈾235原料的數量, 借助初始裂變發射出來的高動能中子, 經過一套相對稍微複雜和繁瑣的控制和調節過程, 就可以完美做到對更多鈾235不停轟炸的, 「連鎖反應」的核裂變過程了。

至此, 巨量的核能就產生了。原料方面, 由於是超重量級的金屬同位素, 所以不會產生「溫室氣體」, 所以核能是非常乾淨和環境友好的能源, 是能有效降低因傳統發電而帶來的「溫室效應」的「綠色」能源。

六.核能威力之謎

那最後要解答的問題是, 為甚麼只有原子核反應才會有如此巨大的能量呢? 為甚麼不是電子反應或分子反應呢?

核力

因為, 萬物皆由原子構成, 包括你也是。構成原子的亞原子粒子透過束縛力緊緊結合在一起。而宇宙又是從熱量中誕生且靠熱量維持的, 所以原子本身就是一個熱能體, 粒子之間的束縛力越強, 熱能就越不容易被轉化為其他能量, 也就是越容易被保留和鎖住。所以當有著龐大束縛力的原子核一旦被擊破, 或者解散, 裡面蘊藏的巨大熱能就會噴湧而出, 轉化為化學能或者動能和輻射。這個熱能量釋放的過程, 就是可以被高效利用的巨大核能。然而再沒有任何其他粒子簇之間會具有像原子核這樣強大的束縛力了, 電子的束縛力就很弱, 分子更弱, 所以轟炸它們也不會產生如此大的能量。