理论上所有的放射性元素都可以作为核裂变燃料,但是由于自然界中各种放射性元素的含量,获取的难度,加工成本的高低,我们能够选择的余地很小!原子弹常用的核材料是铀和钚,但在使用核能的核电站中,全部使用铀。为什么选择铀?
为什么核反应堆的核燃料都是铀,而且是铀235,难道大量存在的不是铀238吗?
云室观察放射性元素衰变
为什么是铀?
铀在衰变时会释放α射线,所以很容易保护,所以纯铀并不危险,几层薄纸就可以保护。当然不建议带在身上,毕竟是放射性元素。不要再重复20世纪初放射性增强人体的笑话了。每个人都知道放射性的危害!
为什么是铀235?
这是因为U-238的放射性强度比U-235低,U-238被快中子碰撞后会吸收它的能量,所以不会产生裂变,但是可以经过两次捕获慢中子后,β衰变变成可裂变钚239,因此U-238是增值反应堆的原材料。例如,重水反应堆中多余的慢中子可以将U-238转化为钚239,钚239成为制造原子弹的原料,因此重水反应堆的投资建设是国际原子能机构的重点监测对象机构!
钚239也可以裂变,为什么不把它当作核燃料呢?
正如我们在上面了解到的,钚在自然界中并不大量存在。如果需要的话,还得通过重水反应堆来生产,所以成本直接是天文数字。一般只用氧化钚制造核电池(如旅行用氧化钚(plutonium-238)用于一号和二号),其他用途是制造原子弹。高端大气上档次的两个地方还不够,还用来发电?太奢侈了。
钚元素
铀235:2.10
Plutonium-239:2.45
Uranium-233:2.31
因为钚的效率最高,而且钚可以生产更多的钚,所以被称为快中子增值堆。如果推广开来,到钚239的量难以消化的时候,肯定会作为普通核电站的核燃料。然而,就目前而言,很少有国家能够奢侈地使用钚239作为核燃料。此外,核燃料的选择还与原子核的裂变势垒有关。比如U-235比较低,U-236稍高,U-238比较高。对于其他放射性物质,也可以参考自然界是否存在裂变势垒。其实之前的状态只剩下铀了!
快中子增值反应堆
除了核裂变还有核聚变
其实核能除了裂变还有聚变。与裂变相反,聚变是将轻元素融合成重元素,这和选择性裂变有些不同,同样,我们也是选择那些容易聚变,自然含量巨大的,但是我们不能死。我们发现的两种最容易聚变的氘和氚聚变,海水中的氘含量在0.02%左右,虽然比较贵,大约几千元一公斤(和聚变的高能量比起来,简直就是白菜).
元素的比结合能
不过氚比较贵,据说每公斤要几千万美元,但是可以通过裂变反应堆用过量的中子轰击锂六来生产,或者在聚变反应堆中,氚也是通过同样的机制产生的,也就是说理论上可以自给自足,这让大家松了一口气。这么贵的氚被烧成这样,岂不是很可惜?
聚变反应堆
不过,与裂变反应堆不同的是,大家使用核能已经快半个世纪了,但谁知道聚变能什么时候才有。1910年代至今已有40年。2030年有可能吗?我希望,我希望在石油和天然气用完之前,聚变反应堆的动力能用上。否则,人类文明将何去何从?