问题

为什么核能原料得用放射性物质?

回答
说起核能,很多人脑海里可能首先浮现出那个“原子弹”的画面,又或者是一些科幻电影里闪烁着绿光的核反应堆。但你有没有想过,为什么我们炼制核能,非要用那些个“放射性”的玩意儿?是不是有点像要煮熟一锅饭,却偏偏要用一堆会冒火的石头?

其实,这里面的门道,一点也不玄乎,完全是物理学基本原理在起作用。简单来说,核能之所以能够被利用,正是因为某些物质的原子核,在特定的条件下,可以发生一种叫做“核裂变”或者“核聚变”的过程。而这些能够发生这些过程的物质,恰好就是我们常说的“放射性物质”。

我们得先理清一个概念:“放射性”和“核能”之间,不是说放射性导致了核能,而是它们是同一类物质的两种不同表现。

就好比一块生铁,它可以被铸造成一把锋利的刀(有用的“能”),也可以随着时间慢慢生锈(放射性衰变)。生铁本身就具备了变成刀的潜力,也具备了生锈的属性。放射性物质,就是那些原子核本身就不太“安稳”,容易发生变化的物质。

那么,为什么原子核会“不安稳”呢?这就得聊聊原子核的内部结构了。

一个原子,最核心的部分就是原子核,里面由质子和中其中子组成。质子带正电,中子不带电。在原子核内部,质子之间因为都带正电,会相互排斥,想要“散伙”。然而,它们之所以能紧密地结合在一起,是因为一种叫做“强核力”的力量在起作用,这种力比电磁力大得多,能把质子和中子牢牢地束缚在一起。

但是,这种平衡不是绝对的。有些元素的原子核,因为内部质子和中子的数量比例不太协调,或者原子核本身就特别大,导致核力不足以完全压制住质子间的斥力。这种不稳定的原子核,就好像一个摇摇欲坠的房子,随时可能坍塌。

放射性,就是这种不稳定的原子核,自发地向更稳定的状态转变的过程。在这个过程中,它们会释放出一些粒子(比如α粒子、β粒子)或者能量(伽马射线)。这就像那个不稳定的房子,在坍塌的时候会发出一些声响,掉落一些碎片。

好了,那这和核能有什么关系呢?

1. 核裂变:链式反应的钥匙

核能发电厂主要利用的是核裂变。这是一种什么反应呢?想象一下,你有一个又大又重的、不太稳定的原子核,比如铀235($^235$U)。当一个慢速的中子撞击到这个铀235原子核时,这个原本就不太稳定的原子核会吸收这个中子,变得更加不稳定,然后“咔嚓”一下,分裂成两个较小的原子核,同时释放出巨大的能量,并且还会放出两到三个新的中子。

这些新产生的中子,就像火星一样,会继续去撞击其他的铀235原子核,引发更多的裂变。每一次裂变,都会释放能量,并产生更多的中子,如此循环往复,形成一个链式反应。

正是这个链式反应,像一连串倒下的多米诺骨牌,不断地释放出能量。我们通过控制这个链式反应的速率,就可以让它稳定地、持续地释放出热能。这些热能用来加热水,产生蒸汽,驱动涡轮发电机,最终转化为电能。

所以,为什么必须用放射性物质?因为只有那些原子核本身不稳定、容易分裂的物质,才能引发这个链式反应。 铀235之所以被称为“核燃料”,就是因为它具备这种“易裂变”的属性。如果用一个非常稳定的原子核,比如铁,你就算用中子去撞它,它也不会分裂,更不会释放出能量,也就不可能发生链式反应。

2. 放射性衰变:另一种能量来源(虽然在发电中不如裂变常用)

除了核裂变,我们利用放射性物质的另一个方式,是利用它们放射性衰变本身释放的能量。一些放射性同位素,比如钚238($^{238}$Pu),它们在衰变时会持续释放出大量的热量。这种热量可以通过热电转换装置直接转化为电能。

这种方式,在一些特殊的场合非常有用,比如太空探测器(“放射性同位素温差发电机”RTG),因为它们不需要外部燃料,可以持续工作几十年,而且非常可靠。但这种方式的能量密度通常不如核裂变,而且放射性强,处理起来也更复杂,所以主要用于特定领域,而非大规模发电。

总结一下,之所以核能原料得用放射性物质,是因为:

核能的本质是原子核内部结合能的释放。这种巨大的能量,主要通过核裂变或核聚变的方式释放出来。
放射性物质,特别是那些具有“易裂变”属性的同位素(如铀235),能够通过吸收中子引发链式反应,持续释放大量的能量。 这是核电站发电的核心原理。
某些放射性物质的衰变过程本身就会释放能量(主要是热能),这也可以被用来发电,尽管方式和规模与裂变有所不同。

所以,放射性不是一种“副作用”,而是核能物质的“先天属性”。正是因为它们“不安稳”,才蕴藏着巨大的能量,让我们得以在控制之下,将它们转化为我们所需的能源。选择放射性物质,是利用原子核能的唯一途径。

网友意见

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首先你要区分裂变和聚变这两个东西。

裂变的话,既然是裂,就是一个原子会变成好几个原子,这才叫裂对吧。但是这个裂不是整整齐齐的裂,就像你掰东西一样,总要掉点渣。这些渣子就是所谓的放射性,可以是α,β或者γ乃至中子。这个不论你是什么元素,只要裂变了,都会出现这种现象。裂变不是衰变,裂变通常是指用高能粒子(一般是中子)轰击原子核,把原子核打碎了。所以大部分裂变材料是用的很重的元素,因为相对容易通过外界的力打碎原子核。而很重的元素由于原子核内质子和中子太多了,大多都不稳定,所以才大多都是放射性元素。(避免杠精,可能存在超重稳定岛,但是还未被证实)。而且不稳定的元素则更加容易裂变,能够进一步降低引发裂变所需要的能量。因此裂变为了能够在较低的能级就引发,才使用了很重的不太稳定的元素。

聚变是指把几个元素捏在一起。这个时候就不是一定需要用不稳定的元素,所以核聚变中氘氘聚变就是完全无放射性的。但是问题来了,原子不是橡皮泥,一捏就都捏在一起了。原子更像是积木,拼着拼着就发现多了一块,就只能扔了。这个时候,扔出来的东西很大概率是中子,这个就又造成了放射性。所以即使聚变使用的材料不具备放射性,过程中也可能会产生。

综上,不论裂变还是聚变,这个东西前面都有一个字“核”。既然是跟核相关的,放射性这种东西其实是很难避免的。

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这个问题本身不严谨,很多核聚变反应的燃料都不是放射性的(例如氘-氘聚变),这也是聚变能的一大优势。

但如果把范围限定在核裂变,那么确实,大部分燃料都是具有放射性的。简单的来说,放射性代表不稳定,不稳定意味着能量高,而能量高才能用来当能源,这一点相信不难理解。

那为什么铀钚这样的核燃料,要比铁铜这样的元素更不稳定,能量更高呢?这就得涉及原子核内部的结构了。

原子核一般由带正电的质子和电中性的中子构成,统称为核子。核子之间不分你我都存在强相互吸引作,而质子-质子之间则存在库伦排斥。

顾名思义,强相互力非常强,是维持原子核稳定存在的力。所以氘-氚这样较小的原子能通过这种吸引力,聚变成一个更大更稳定的原子,并放出能量。

但强相互力的作用范围非常短,基本上只能影响紧挨着的几个核子。因此,当一开始的几个近邻位置填满后,核子数再继续增加,每个核子收到的吸引力也不会显著增长,能量不会显著降低。

相反,库伦排斥力的作用范围很远,随着质子数的增长,核内的排斥力会持续不断的增强,能量持续增大。

两种机制竞争之下,核子平均能量随核子数的增长是先降低,后升高的:

在铀这样的重元素中,质子数较多,库伦排斥力较强,原子核的能量自然就较高,倾向于裂变成更小的原子释放能量,可以用来做核燃料。

而正是由于其较高的能量,它也更容易自发解体衰变,产生放射性。

而铁铜这样的元素虽然没有放射性,但它们本身的能量也很低,没法用来当燃料提供能源。

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