1公斤鈾-235能釋放出多大的能量?地球上的鈾,可供人類用多久?

2023-12-29     魅力科學君

原標題:1公斤鈾-235能釋放出多大的能量?地球上的鈾,可供人類用多久?

在過去的很長一段時間裡,人類使用的能量都只是化學能,直到20世紀,人類才找到比化學能更強大的能量來源——核能。所謂核能,其實就是蘊含在原子核內的能量,它們可以通過核反應釋放出來,比如說現代的核電站,就是通過核裂變來獲取核能。

核裂變是指較重的原子核分裂成兩個或多個較輕的原子核的過程,從理論上來講,原子序數比鐵更大的元素,其原子核裂變後都會釋放出能量,並且越重的原子核,就越容易發生核裂變,其釋放出的能量也越高。

在地球上,人類能夠找到的最重的原生元素,就是92號元素——鈾,由於自然存在的鈾有三種同位素,即鈾-238、鈾-235和鈾-234,而在它們之中,鈾-235的原子核是最容易發生核裂變的,因此鈾-235當然也就成為了人類的理想選擇。

那麼,1公斤鈾-235能釋放出多大的能量呢?其實這是可以計算的。

簡單來講,人類使鈾-235原子核發生核裂變的方法,其實就是利用高速中子對它們進行轟擊,從而促使其發生裂變,測量數據表明,儘管鈾-235有多種裂變途徑,但在整體上來講,其釋放的能量都是差不多的,平均下來,每一個鈾-235原子核在裂變之後,會釋放出200MeV的能量,簡單換算一下,就是3.2乘以10的-11次方焦耳。

已知1摩爾鈾-235的質量為235克,其中包含的原子數量大約為6.02乘以10的23次方個(阿伏伽德羅常數),據此可以計算出,1公斤(1000克)鈾-235的原子數量大約就是2.56乘以10的24次方個。

我們將這個數據與單個鈾-235原子核裂變後釋放的能量平均值相乘,就可以得出,在全部完成核裂變的情況下,1公斤鈾-235釋放出的能量約為8.2乘以10的13次方焦耳,作為對比,標準煤的熱值約為每公斤29307千焦,也就是說,我們需要燃燒大約2798噸的標準煤,才能得到與之相當的能量。

由此可見,核能確實比化學能強大得多,但問題是,對於我們人類來講,鈾其實是一種不可再生的資源,它們會越用越少,那麼,地球上的鈾,可供人類用多久呢?我們接著看。

統計數據表明,目前地球上已探明的鈾儲量有700多萬噸,但其中絕大部分都是鈾-238,其相對丰度高達99.2742%,而鈾-235的相對丰度卻僅為0.7204%,如果人類只是利用鈾-235的話,那按照當前的平均消耗速度,它們大概可供人類用80年左右。

那有沒有什麼辦法可以將鈾-238也利用起來呢?答案是肯定,實際上,科學家已經找到了一種被稱為「快中子增殖」的技術。

這種技術的原理可以簡單地描述為:我們可以將一個中子打進一個鈾-238原子核之中,在此之後,這個原子核就會變得很不穩定,並很快發生β衰變,進而轉變成錼-239,而錼-239也很不穩定,它很快就會繼續發生β衰變,於是我們就得到了易於發生核裂變的鈽-239。

需要注意的是,利用這種技術,我們還可以使釷-232轉變成鈾-233,後者同樣也是易於發生核裂變的同位素,要知道地球上已探明的釷儲量幾乎與鈾相當,而自然存在的釷,幾乎100%都是釷-232。

所以我們可以樂觀地認為,在「快中子增殖」完全成熟之後,僅僅是地球上目前已探明的鈾和釷,就可供人類使用數千年的時間。當然了,這只是根據人類當前的平均消耗速度估算出的結果,而隨著人類文明的持續發展,未來需要的能量也會越來越多,那地球上還有沒有什麼地方能夠找到更多的鈾呢?答案也是肯定的,那就是:海洋。

在地球的海洋中,鈾主要以三碳酸鈾醯絡離子的形式廣泛存在,根據科學家的測算,平均每升海水中的鈾含量約為3.3微克,按此來估計,地球海洋中的鈾儲量,可以達到42.9億噸之多。

可以想像的是,假如人類能發展出可以從海水中大規模地提取鈾的技術,那在可以預見的未來里,人類都不需要擔心鈾會被用完的問題。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/6df6aa70b32b26e64ca059854cba93ad.html