1公斤铀-235可以放多大能量?地球上的铀,能供人类使用多久?

解析冷知识 2024-02-19 04:38:55

1945年,美国向日本广岛投下一枚原子弹,它的代号名为“小男孩”,当中装有64公斤铀-235。

但实际上,在爆炸的过程当中,仅有不到1公斤的铀-235参与了裂变反应,释放出的能量大约为63TJ,但仍旧直接或者间接性地造成了10多万人死亡。

问题来了,一公斤铀-235完全反应之后,究竟能够释放出多大的能量?在人类现有的能源体系当中,核能占据重要组成部分,如今地球上的铀元素,又能供给人类使用多少年?

核裂变是咋回事

首先我们来了解一下铀元素的裂变反应究竟是怎样的。

【裂变反应原理】

所谓裂变反应指的是由重的原子核分裂成多个较小的原子,在过程当中会产生大量的能量,从而产生核反应。

怎么才能让重原子裂变为多个小原子呢?在核电站的反应堆当中,通常会使用热中子去轰击铀-235的原子,然后产生2到4个中子,中子再去轰击其他铀-235原子,然后循环往复,形成链式反应。

这就好比一颗弹珠轰击另一颗弹珠,后者分裂为两颗,然后互相轰击,不断进行下去。

但这种反应不是无限制的,一直到产生铁元素,反应基本结束。

当然,核反应堆和原子弹中的铀-235是不一样的,主要体现在浓度方面。

核反应堆中的铀-235浓度普遍较低,这种链式反应相对来说就要稳定许多,在人类的可控制范围之内。

尽管如此,我们也需要采用诸多手段去控制核反应堆的稳定性。

原子弹当中的铀-235浓度必须在90%以上,这也意味着其一旦发生链式反应,将是非常迅速的,且爆发力十足。

【可怕的原子弹】

这也是为什么原子弹在爆炸之后,会瞬间产生高温和强烈的光,这都是中子在不断轰击的过程当中产生的能量。

需要注意的是,虽然低浓度的铀-235不能用于制造核武器,在国际上也没有严格的交易限制。

但是离心机可以将低浓度铀-235转化为高浓度,因此离心机是被禁止流传的。

能量庞大

一般来说,1公斤铀-235在全部裂变的情况下,会产生大约20000兆瓦小时的能量,相当于2700吨煤炭燃烧时释放的能量。

【核反应堆】

这么说大家可能没有概念,再转化一下,一兆瓦时差不多等于1000度电,20000万兆瓦时相当于20000000度电。

2022年,四川人民一天的用电量约为3.4亿千瓦时,相当于3.4亿度电,差不多17公斤的铀-235,就能满足四川一天的用电量。

当然,这仅仅是理想情况,如果将一公斤铀-235用于发电,在过程当中会伴随着大量的能量损耗。

包括冷却反应堆,以及在发电过程当中做功的过程,都会伴随着能量的损失。

目前绝大部分核电站的发电模式采用的还是“烧开水”的模式,当铀-235产生裂变反应之后产生热能,热能将水加热沸腾产生蒸汽,然后用于发电。

比如说,中国华龙一号核电站就是一座“开水核电站”,本质上和当初咱们用煤炭烧锅炉没啥区别。

不过,华龙一号的先进之处有很多,包括采用了多个燃料组件的反应堆堆芯、多种安全保障系统等等。

不仅核电站在烧开水,还有大家津津乐道的核动力航母,也是同样的原理。

【华龙一号核电站】

所以,大家别看核动力航母如此高大上,本质上和蒸汽动力航母没啥区别。

从另一角度来看,铀-235作为一种新型能源,它拥有的潜在价值也是非常庞大的。

从生态环保方面来看,一公斤铀-235就顶2700吨煤炭,而后续燃烧之后对环境的污染十分严重,前者在人为处理得当的情况下,对环境的污染肯定是比不上2000吨煤炭的。

同时,铀-235的能量转化效率也很高,可以在短时间内满足人们爆发式的能源需要。

核电站再配合水力、风力以及其他能源发电的情况下,基本满足中国14亿人口的生产生活需要。

铀-235还能用多久

像这样一种令人类“又爱又恨”的放射性物质,在地球上的储量是有限的。

通常它是以银灰色的金属形式出现,但这是经过人类加工提纯之后的产物,在自然界中,通常会蕴藏在铀矿等矿产资源当中,需要进一步进行提纯加工才能得到。

中国就是一个铀-235储量大国,在2023年的时候,我国内蒙古地区就发现了一批超大型的铀矿,总体储量规模属于10万吨级别,对于我国来说意义重大。

相关资料数据统计推断,人类目前拥有的铀资源储量大约为371.3万吨,其中大部分被澳大利亚等国家占据,在世界范围内分布不均。

随着人类核电站建造数量的不断增加,人类对于铀-235的消耗也在增长,按这个趋势来看,也许到21世纪末期,铀-235资源就已经枯竭了。

不过,从现实情况来看,铀资源枯竭时间可能会更早,在2016年的时候其产量就已经达到了一个峰值,并在此后开始衰减。

这也意味着,铀资源在走下坡路,如果人类在未来无法发现新的隐藏铀矿的话,很有可能会过早枯竭。

所以我们不得不担心这样一个问题,未来当铀-235不再能够用于发电的时候,人类在能源上的空缺怎样才能补足呢?

别担心,除了裂变反应能够产生能量之外,聚变反应也是可以的,而人类正在研究可控聚变反应,俗称“人造太阳”。

人造太阳使用的是核聚变原理

相信可控核聚变会在铀资源枯竭之前得到广泛运用。

参考资料:

【1】陈志岳. 1公斤铀235释放的热量相当于2700吨煤释放的热量如何用核能发电①.《CNKI》,2004

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