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1公斤铀-235能释放出多大的能量?地球上的铀,可供人类用多久?

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在过去的很长一段时间里人类使用的能量都只是化学能,直到20世纪,人类才找到比化学能更强大的能量来源——核能。所谓核能,其实就是蕴含在原子核内的能量,它们可以通过核反应释放出来,比如说现代的核电站,就是通过核裂变来获取核能。

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核裂变是指较重的原子核分裂成两个或多个较轻的原子核的过程,从理论上来讲,原子序数比铁更大的元素,其原子核裂变后都会释放出能量,并且越重的原子核,就越容易发生核裂变,其释放出的能量也越高。

在地球上,人类能够找到的最重的原生元素,就是92号元素——铀,由于自然存在的铀有三种同位素,即铀-238、铀-235和铀-234,而在它们之中,铀-235的原子核是最容易发生核裂变的,因此铀-235当然也就成为了人类的理想选择。

那么,1公斤铀-235能释放出多大的能量呢?其实这是可以计算的。

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简单来讲,人类使铀-235原子核发生核裂变的方法,其实就是利用高速中子对它们进行轰击,从而促使其发生裂变,测量数据表明,尽管铀-235有多种裂变途径,但在整体上来讲,其释放的能量都是差不多的,平均下来,每一个铀-235原子核在裂变之后,会释放出200MeV的能量,简单换算一下,就是3.2乘以10的-11次方焦耳。

已知1摩尔铀-235的质量为235克,其中包含的原子数量大约为6.02乘以10的23次方个(阿伏伽德罗常数),据此可以计算出,1公斤(1000克)铀-235的原子数量大约就是2.56乘以10的24次方个。

我们将这个数据与单个铀-235原子核裂变后释放的能量平均值相乘,就可以得出,在全部完成核裂变的情况下,1公斤铀-235释放出的能量约为8.2乘以10的13次方焦耳,作为对比,标准煤的热值约为每公斤29307千焦,也就是说,我们需要燃烧大约2798吨的标准煤,才能得到与之相当的能量。

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由此可见,核能确实比化学能强大得多,但问题是,对于我们人类来讲,铀其实是一种不可再生的资源,它们会越用越少,那么,地球上的铀,可供人类用多久呢?我们接着看。

统计数据表明,目前地球上已探明的铀储量有700多万吨,但其中绝大部分都是铀-238,其相对丰度高达99.2742%,而铀-235的相对丰度却仅为0.7204%,如果人类只是利用铀-235的话,那按照当前的平均消耗速度,它们大概可供人类用80年左右。

那有没有什么办法可以将铀-238也利用起来呢?答案是肯定,实际上,科学家已经找到了一种被称为“快中子增殖”的技术。

这种技术的原理可以简单地描述为:我们可以将一个中子打进一个铀-238原子核之中,在此之后,这个原子核就会变得很不稳定,并很快发生β衰变,进而转变成镎-239,而镎-239也很不稳定,它很快就会继续发生β衰变,于是我们就得到了易于发生核裂变的-239。

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需要注意的是,利用这种技术,我们还可以使钍-232转变成铀-233,后者同样也是易于发生核裂变的同位素,要知道地球上已探明的钍储量基本上与铀相当,而自然存在的钍,几乎100%都是钍-232。

所以我们可以乐观地认为,在“快中子增殖”完全成熟之后,仅仅是地球上目前已探明的铀和钍,就可供人类使用数千年的时间。当然了,这只是根据人类当前的平均消耗速度估算出的结果,而随着人类文明的持续发展,未来需要的能量也会越来越多,那地球上还有没有什么地方能够找到更多的铀呢?答案也是肯定的,那就是:海洋。

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在地球的海洋中,铀主要以三碳酸铀酰络离子的形式广泛存在,根据科学家的测算,平均每升海水中的铀含量约为3.3微克,按此来估计,地球海洋中的铀储量,可以达到42.9亿吨之多。

可以想象的是,假如人类能发展出可以从海水中大规模地提取铀的技术,那在可以预见的未来里,人类都不需要担心铀会被用完的问题。

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