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主题:核技术/特色条目

2019-05-10 09:25:47     所属分类:核技术主题

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Portal:核技术/特色条目/1

太阳是一个天然的核聚变反应堆。在它的核心,太阳发生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变。

核聚变,是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核并释放能量的一种核反应形式。在此过程中,物质没有守恒,因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子(能量)。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量,两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥,然而两个能量足够高的核迎面相遇,它们就能相当紧密地聚集在一起,以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应,这个反应叫做核聚变

举个例子:两个质量小的原子,比方说氘和氚,在一定条件下(如超高温和高压),会发生原子核互相聚合作用,生成中子和氦-4,并伴随着巨大的能量释放。

原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc²,原子核之净质量变化(反应物与生成物之质量差)造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,称为核裂变,如原子弹爆炸;如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核,称为核聚变。一般来说,这种核反应会终止于铁,因为其原子核最为稳定。

在20世纪50年代,发展用于民用目的的受控热核聚变开始被认真地研究,并一直持续到今天。在经过60年从以前的实验中做出设计改进之后,两个项目,国家点火装置(National Ignition Facility)和国际热核聚变实验反应堆(ITER)达到盈亏平衡点,也就是在这个过程中产生尽可能多的能量达到需要点燃的反应的能量。

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Portal:核技术/特色条目/2

235U 原子核的一种裂变过程,235U 原子核吸收一个中子,变成236U 原子核,然后236U 原子核裂变成二个快速运动的较小原子核,并释放三个中子,同时也会产生伽马射线(图中未绘出)

核裂变英语:Nuclear fission),在港台称作核分裂,是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钚,分裂成较轻的(原子序数较小的)原子的一种核反应或放射性衰变形式。核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电厂最常见。

重核原子经中子撞击后,分裂成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子,并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成链式反应而自发分裂。原子核分裂时除放出中子还会放出热,核电厂用以发电的能量即来源于此。因此核裂变产物的结合能需大于反应物的的结合能。

核裂变会将化学元素变成另一种化学元素,因此核裂变也是核迁变的一种。所形成的二个原子质量会有些差异,以常见的可裂变物质同位素而言,形成二个原子的质量比约为3:2。大部分的核裂变会形成二个原子,偶尔会有形成三个原子的核裂变,称为三分裂变英语ternary fission,大约每一千次会出现二至四次,其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。

现代的核裂变多半是刻意产生,由中子撞击引发的人造核反应,偶尔会有自发性的,因放射性衰变产生的核裂变,后者不需要中子的引发,特别会出现在一些质量数非常高的同位素,其产物的组成有相当的几率性甚至混沌性,和质子发射、α衰变、集群衰变英语cluster decay等单纯由量子穿隧产生的裂变不同,后面这些裂变每次都会产生相同的产物。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物质当中子撞击引发核裂变时也会释放中子,因此可以产生链式反应,使核裂变持续进行。在核电站中,其能量产生速率控制在一个较小的速率,而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。

由于每次核分裂释放出的中子数量大于一个,因此若对链式反应不加以控制,同时发生的核分裂数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多,将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核分裂的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量,需要在90%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料,铀-235的含量通常很低,大约在3%到5%,因此不会产生核爆。但核电厂仍需要对反应堆中的中子数量加以控制,以防止功率过高造成炉心熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼,并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核分裂速度。从镉以后的所有元素都能分裂。

核分裂时,大部分的分裂中子均是一分裂就立即释出,称为瞬发中子,少部分则在之后(一至数十秒)才释出,称为延迟中子。

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Portal:核技术/特色条目/3

碳氮氧-I循环的一种概观。

碳氮氧循环CNO cycle),有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环Bethe-Weizsäcker-cycle),是恒星将氢转换成氦的两种过程之一,另一种过程是质子-质子链反应。

在质量像太阳或更小些的恒星中,质子-质子链反应是产生能量的主要过程,太阳只有1.7%的4氦核是经由碳氮氧循环的过程产生的,但是理论上的模型显示更重的恒星是以碳氮氧循环为产生能量的主要来源。碳氮氧循环的过程是由卡尔·冯·魏茨泽克和汉斯·贝特在1938年和1939年各别独立提出的。

此处,所有参与反应的"催化剂"(碳、氮、氧的核)数量都是守恒的,而在恒星演化中核的相对比例是会改变的。无论最初的结构是如何,当这个循环在平衡状态下,12碳/13碳核的比例是3.5,而14氮成为数量最多的核。在恒星的演化中,对流会将碳氮氧循环的产物从恒星的内部带到表面并混合,改变观测到的恒星成分。在红巨星,相较于主序星,能观测到少量的12碳/13碳和12碳/14氮,这些都可以证明核聚变在恒星内部进行能量的世代交替。

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Portal:核技术/特色条目/4

秦山三期工程,1号和2号机组

秦山核电站位于浙江省海盐县秦山镇,是大陆建成的第一座核电站,在经过多次扩建后,现已发展成一处大型核电基地。

秦山核电站濒临东海杭州湾,并且邻近上海、杭州等特大城市。在秦山核电站所在的浙江省目前有两座可为核电站安全稳定运行提供配套的抽水蓄能电站——天荒坪和桐柏。天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县,安装6台30万千瓦发电机组,总装机容量180万千瓦。桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县,安装4台30万千瓦发电机组,总装机容量120万千瓦。

在起初的规划中,秦山核电站一期工程仅具有试验性质,它采用了当时国际上成熟的压水型反应堆技术,建设单台30万千瓦发电机组,并由自主承担整个电站的设计、建造、设备提供和运营管理工作。一期工程由核工业部主导推进,于1983年6月1日破土动工。1991年12月15日零时15分首次实现并网发电,成为当时大陆投产的唯一一套核电机组。机组在测试运行了两年之后,正式投入商业运营。年发电量17亿千瓦时。

秦山二期工程依然由自主承担设计、建造和运营任务,采用压水型反应堆技术,安装4台60万千瓦发电机组,1、2号机组分别于2002、2004年初并网发电,3、4号机组分别于2010、2011年底并网。

秦山三期工程由和加拿大政府合作,采用加拿大提供的加拿大坎杜堆重水堆英语CANDU reactor的重水反应堆技术,建设两台70万千瓦发电机组,于2003年建成。目前秦山核电站的总装机容量为410万千瓦,已成为一处大型的核电基地。

秦山一期核电站扩建工程方家山核电站,距离秦山核电站一期工程反应堆约600米。该扩建项目使用二代CPR-1000改进型压水型反应堆核电技术(M310改进型),规划容量为2×1080 MW。1号机组预计2014年开始运营,2号机组预计2015年开始运营。项目竣工后,秦山核电站将形成一台30万千瓦机组和两台100万千瓦机组的“1+2 ” 群堆运行格局,其营运管理也将实现从原型堆到商业堆的重大跨越。

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Portal:核技术/特色条目/5

Operation Crossroads Baker Edit.jpg

十字路口行动英语:Operation Crossroads)是美国在1946年中期于比基尼环礁进行的核试行动。它们是在1945年7月三位一体核试以来第一次核武器试验,和自1945年8月9日长崎原子弹爆炸的第一个核装置爆炸。这次行动一共进行两次核试,包括代号Able的空中核试及代号Baker的水下核试。测试目的是调查核武对水面军舰的打击威力。

十字路口行动试验是在马绍尔群岛举行了多次核试验的第一个,并且是第一个被公开宣布,并事先邀请观众观察,其中包括一个大型新闻团体。一个95只靶船英语Target ship的舰队被召集在比基尼环礁,和被在长崎投下的那种胖子钚内爆式核武器爆炸击中,每次爆炸产生了23千公吨黄色炸药(96太焦耳)的爆炸当量。

十字路口行动的筹办,与美*事于第一次世界大战后的发展有莫大关连。早在一战结束后,美国陆军航空勤务队及其沿革组织均主张以制空权为战争首要打击力量,并以此为由,要求成立独立空军。然而陆航主张以远程轰炸机取代水面军舰作海上防卫,并将海军航空兵及其航空母舰置于空军管辖之下时,却因此与美国海军产生极为严重的军种摩擦。是次军种竞争在第二次世界大战结束再次加剧:陆航意欲证明核武及战略轰炸将是未来战争的王牌武器,且只有空军远程轰炸机能作有效打击;而海军则欲阻止陆航垄断核武投射权力,并引证水面军舰能够有效抵御核爆。更有甚者,二战后美*费面临紧缩,美国总统杜鲁门意欲成立美国国防部,统一三军拨款,以裁减冗费,使陆航与海军的矛盾延伸至军费之争。十字路口行动正是双方角力以争取美国国会以至民间支持的结果。

在美*事史以外,十字路口行动在世界历史上同样有重要影响。大众媒体在是次核试获邀在现场采访,使世界公众首次获得核试现场的资讯及片段,而比基尼泳衣更因此而名。不过,十字路口行动同样首次曝露了放射性污染的危害。核试后比基尼环礁自此不再适居,岛上土著居民因而迫迁,部族生活陷入危机;辐射使环礁内的海水受到严重放射性污染,而部分靶舰更被海军拖到他处击沉,使多地的生态系统遭受破坏。最后参与的海军士兵又欠缺防备辐射的意识及装备,使多人在不知情下蒙受辐射病,沦为美国不道德人体实验的受害者。然而上述种种祸害在当时均遭到忽视,并在核试后数十年才陆续为大众所知。

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Portal:核技术/特色条目/6

Mariecurie.jpg

玛丽亚·斯克沃多夫斯卡-居里Maria Skłodowska-Curie,1867年11月7日-1934年7月4日),通常称为玛丽·居里(法语:Marie Curie)或居里夫人(Madame Curie),波兰裔法国籍女物理学家、化学家。她是放射性研究的先驱者,是首位获得诺贝尔奖的女性,获得两次诺贝尔奖(获得物理学奖及化学奖)的第一人(另一位为鲍林,获得化学奖及和平奖)及唯一的女性,是唯一获得二种不同科学类诺贝尔奖的人。她是巴黎大学第一位女教授。1995年,她与丈夫皮埃尔·居里一起移葬先贤祠,成为第一位凭自身价值入葬先贤祠的女性。

玛丽·居里原名玛丽亚·斯克沃多夫斯卡(Maria Salomea Skłodowska),生于当时俄罗斯帝国统治下的波兰会议王国的华沙,即现在波兰的首都。她在华沙地下飞行大学英语Flying University读书,并开始接受真正的科学训练。她在华沙生活至24岁,1891年追随姐姐布洛尼斯拉娃至巴黎读书。她在巴黎取得学位并在毕业后留在巴黎从事科学研究。1903年她和丈夫皮埃尔·居里及亨利·贝可勒尔共同获得了诺贝尔物理学奖,1911年又因放射化学方面的成就获得诺贝尔化学奖。

玛丽·居里的成就包括开创了放射性理论,放射性的英文Radioactivity是她造的词,她发明了分离放射性同位素的技术,以及发现两种新元素钋(Po)和镭(Ra)。在她的指导下,人们第一次将放射性同位素用于治疗肿瘤。她在巴黎和华沙各创办了一座居里研究所,这两个研究所至今仍是重要的医学研究中心。在第一次世界大战期间,她创办了第一批战地放射中心。

虽然玛丽·居里是法国公民,人身在异国,但也从未忘记她的祖国波兰。她教女儿波兰文,多次带她们去波兰。她以祖国波兰的名字命名她所发现的第一种元素钋。

第一次世界大战时期,玛丽·居里利用她本人发明的流动式X光机协助外科医生,可能因为长期暴露在过量的放射线下,导致晚年身患再生障碍性贫血,1934年病逝于法国上萨瓦省疗养院。

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