核科普第一辑奇妙的核能力

　　转自：小核爱科普
　　提到核能，人们很容易联想到几个关键词：放射性、核污染。在大多数人潜意识中，核能往往伴随着未知的危险，以至于谈＂核＂色变。
　　但是当向人们问及核能的利用时，人们几乎只能想到核能发电。由于核燃料具有非常高的能量密度，使得核反应可以产生巨大的能量，应用前景广阔 。比如，重质量核素在衰变时具有很大的释热量，这个释放的热量通过热电效应产生电能，整个过程不需要任何充电放电，其使用寿命达到几年至十几年不等。再如，在深空探测中，普遍使用核电池 作为航天器的能量来源。除此之外，核能在核潜艇 、核动力航母 、核武器 等军工领域具有广泛应用，而且在热电转换 、核能制氢、供热供汽 等民用领域都发挥着巨大作用。可见，核能是典型的小身板、大身手。
　　下面，让我们一起看看核能有哪些奇特妙用吧。
　　Q1
　　人们总是说核武器，那核武器到底是什么呢？它又有哪些类型呢？
　　＂核＂最早的应用是核武器，其中比较著名的是美国在日本的广岛和长崎投放的两颗原子弹，＂小男孩＂和＂胖子＂。我们国家也在20世纪60年代耗费了巨大的人力物力研发出了原子弹，这才进一步保障了新中国的和平与安全。由于核武器巨大的威力和长久的破坏力，导致人们＂谈核色变＂，那么核武器到底是什么呢？让我们一起来看看。
　　▲核武器爆炸时产生的巨大威力
　　核武器是利用原子核裂变或聚变反应瞬时释放的巨大能量，产生爆炸作用，并具有大规模毁伤破坏效应的武器。核武器中装载的是核燃料，引爆后进行着不可控的核裂变或核聚变反应，在极短时间内释放出巨大核能，产生大规模的杀伤破坏作用。1公斤U-235裂变释放的能量相当于2万吨TNT炸药，1公斤氘氚聚变释放的能量相当于8万吨TNT炸药，核爆炸时中心达到上千万度的高温，数百亿个大气压的压力。目前发展出的核武器主要包括原子弹，氢弹和中子弹。
　　Q2
　　Q2
　　核武器＂身体＂不大，但却蕴含了那么大的能量，到底是什么原理呢？
　　原子弹
　　这就要从几种核武器的原理说起了，原子弹用高能烈性炸药引爆，使处于亚临界状态的核装料（U-235或Pu-239）达到超临界状态，并迅速由中子源提供中子引发链式裂变反应，能瞬时释放巨大的能量。原子弹实现爆炸的方法有两种，一种称为压拢法，将核燃料装成两个半球，引爆时通过炸药的强大冲击力，将另一块核燃料打入两个半球中，瞬间达到超临界状态，发生核爆炸；一种称为压紧法，将处于次临界状态的核燃料球体放在原子弹中心，在其外围布置上烈性炸药和雷管，引爆后产生强大压力，将核燃料压缩到极高的密度，达到超临界，并由球中心提供中子源，引发自持裂变反应。压拢法利用增大质量达到超临界，压紧法利用增大密度达到超临界，后者核燃料利用率高，现在的原子弹多采用压紧法，我国第一颗原子弹也采用压紧法。
　　氢弹
　　氢弹利用原子弹爆炸产生的高温高压，实现氘氚聚变。最初制造的氢弹用三个互相分开的铀块或钚块作为原子弹的装料，原子弹由炸药引爆压紧达到超临界状态，产生高温，引发氘氚聚变。氘和氚在常温下都是气体，密度很小，需要冷冻到零下两百多度，变成液态后装料，这使得氢弹体积很大。苏联科学家使用氘化锂-6作为装料，原子弹引爆产生的中子与锂-6反应产生氚，与氘发生聚合反应，这种使用氘化锂材料的氢弹被称为干式氢弹，大大缩小了体积，减轻了重量。另一种氢弹为威力更大的三相弹，三相弹利用氘化锂-6作为聚变材料，在其外设一层U-238外壳，通过氘氚聚合产生的快中子使U-238发生裂变反应，它的爆炸过程为裂变-聚变-裂变，爆炸时威力更大，产生的放射性裂变产物更多。
　　中子弹
　　中子弹是超小型化的氢弹，它用微型原子弹引爆，不用氘化锂，无U-238外壳，有弱的冲击波作用和强的辐射作用，爆炸时放出大量的高能中子和强γ辐射，可穿透20~30cm厚的坦克和装甲，而对武器装备和建筑物主体结构本身破坏程度不高。
　　Q3
　　核武器威力这么大，人们为什么要争先恐后地研究核武器呢？
　　在当今这个时代，核武器代表着一个国家的军事实力，只有军事实力强大才能赢得国际上的话语权，这也是为什么毛主席当年说＂原子弹一百年也要造出来＂，正是有了前辈们坚定不移的信念才有了我们国家自己的核武器，也正是因为核武器的存在才得以让我们有和平稳定的发展环境，一定程度上，是我们自己的核武器给了我们每个人切切实实的＂安全感＂。
　　Q4
　　核武器原来有这么大的作用，那核潜艇是不是就是装有核武器的潜艇啊？
　　不是这样的啦，核潜艇指的是由核反应堆提供动力的潜艇，全称＂核动力潜艇＂，是潜艇的一种，只作军用。核潜艇的主要特点可用9个字进行概括——动力足、藏得深、打得狠。动力足，是由核反应堆供能决定的，只用很少的高能量密度的核燃料，核反应堆便能提供持续足量的动力输出；藏得深，主要是指能够长时间在水下续航，能达到100万海里的续航里程（1海里=1.852公里），不易被侦查发现；打得狠，是指核潜艇的类型多样，杀伤力充足，特别是战略核潜艇，是＂三位一体＂核威慑中重要一环。
　　当前，全世界公开宣称拥有核潜艇的国家有6个：美国、俄罗斯、英国、法国、中国、印度。世界上第一艘核潜艇是美国于1954年1月24日首次试航的＂鹦鹉螺＂号。中国的第一代核潜艇是091型攻击核潜艇，于1974年8月7日交付海军使用。
　　▲中国第一艘核潜艇＂长征一号＂
　　Q5
　　那我知道了，核潜艇是以核反应堆为动力的潜艇，那＂核航母＂就是以核反应堆为动力的航母喽？
　　是的，＂核航母＂全称＂核动力航空母舰＂，是一个国家军事力量和综合国力的象征。作为＂海上机场＂，航空母舰可以容纳各种舰载机、军事武器以及雷达、声呐等设备。一艘大型的航空母舰长度可达330m，宽度达 80m，高度达70m，相当于两个足球场的面积，20层楼的高度，其中的飞行员、船员等多达5000~6000人，甚至可以称为＂流动的国土＂。
　　航空母舰的自重和负载如此之大，可想而知对动力有着多么高的要求。目前全世界中的大部分航母，包括我国的＂辽宁号＂和＂山东号＂都是采用燃气轮机作为动力，但是都存在耗油量大、排烟等问题。在认识到核动力的优越性后，人们开始研制以核能为动力源的核动力航空母舰。
　　Q6
　　为什么要采用核动力？核动力航母与常规航母相比具有哪些优势呢？
　　首先，核燃料小小的身躯中蕴藏着大大的能量。一般来说，1kg核燃料中含有的U-235完全反应放出的能量≈2800t煤或者2100t燃油充分燃烧后放出的能量。可想而知，带着这样迷你的电源上船，燃料体积占比将会大幅度下降，就会有更多的空间来放置飞机和武器。
　　第二，一丁点U-235所携带的能量就可以供给航母长时间的运作，这大大减少了出海过程中的换料次数，带上这样强有力的燃料出远门，就不会担心航母吃不饱跑不动啦！
　　▲美国＂企业＂号航母 ——世界上第一艘核动力航母
　　第三，与普通的航母相比，核动力航母搭载的舰载机更多、航程更远、使用时间更长，还能满足新型辅助装置的部署要求，例如电磁弹射装置、飞机升降机及阻拦装置的能量需求，因此综合作战能力更加强大，有利于国防能力和科技水平的提升。
　　第四，核反应过程中不需要氧气，没有气体也就不会产生排烟问题，这不仅可以避免烟气的腐蚀，简化船体的结构设计，还可以显著提高舰船的隐蔽性，毕竟有一股＂袅袅炊烟＂对于军用舰船来说并不是什么好事，没有排烟也就没有可以被敌方检测到的把柄。
　　综合来看，核动力航空母舰确实具有常规航母无可比拟的优势。然而目前拥有核动力航母的国家只有美国和法国，除了上文提及到的放射性问题以外，一艘安全可靠的核动力航母还需要过硬的科学技术的加持，如电力推进技术等，这也是限制核动力航母大规模应用的另一个原因。因此为了制造更安全可靠的核动力航母，自然具有更高的复杂性和困难度。
　　▲法国＂戴高乐＂号核动力航母
　　Q7
　　那要是未来有了＂星球大战＂，核动力还能用上吗？
　　我们的科学家早就想到了，不过倒不是为了你所说的＂星球大战＂，而是为了更好的探索太空，拓宽人类的生存空间。在地球上，人类可以通过燃烧化石燃料来获得热能，利用电池来储存电能，但是把这两招送到太空上以后，可能就不灵了。在太空中，没有氧气的支持，化石燃料的燃烧无法实现；使用电池的话，如果依靠反复从地球发射电池，再从太空收回电池，以此来实现电池的充电与更换，更是天方夜谭。
　　这时候，就到了空间核动力大显身手的时候了。空间核动力设备可以借助核反应，持续而持久地向外供给能量，不需要氧气的支持，也不需要频繁地充电，并且它在太空中比在地球上更受欢迎，因为在太空中，没有人会去理睬它那点微不足道的＂放射性＂。
　　那么空间核动力分为哪几种呢？我们可以把最常见的空间核热源与空间核电源，分别冠名为＂暖手宝＂、＂充电宝＂，有了这两个法宝，＂出门在外＂还怕什么？而且，别小瞧了它们，名字虽然听起来迷你，威力却不小。带着它们到外太空，它们可以持续地放电放热，持续十几年甚至几十年。
　　＂暖手宝＂
　　空间核热源——＂暖手宝＂最大的本领，当然是＂暖手＂啦，但是可不是给航天员暖手，而是给航天器的仪器、仪表来＂暖手＂。
　　这些仪器仪表可都是身娇肉贵，从问世之初就一直娇生惯养，养尊处优，没有温度舒适的工作环境，大罢工是在所难免的。即便是不发动罢工，这些仪器仪表在工作上的小疏漏也会层出不穷，这给远在地球的科研人员收集数据、开展研究带来很大的困扰。因此，带上一个耐用的＂暖手宝＂上太空，着实是非常必要的。
　　＂充电宝＂
　　空间核电源——＂充电宝＂，则是一个可以带到太空中就不着急还回地球，甚至不需要还回地球的＂充电宝＂。
　　因为它实在是太耐用了。但是，这么迷你的身材中，怎么才能储存这么多电能呢？其实，得益于核能具有很大的能量密度这一特点，它并不需要拖着沉重的身躯来尽可能多地充电，就可以实现＂轻装上阵＂。
　　＂充电宝＂中有专门的热电转换系统，该系统中设置有两个金属电极，分别称为发射极和接受极，工作时，核反应产生的热量供给到发射电极，当发射极被加热到很高的温度时，金属表面的自由电子获取足够的能量，飞跃两电极之间的间隙而抵达接收极，用导线连接两电极形成外电路，这样便有电流自接收极流向发射极，热电转换系统也就完成了自热能向电能的转化，从而给太空中的用电设备供能。
　　▲空间核电源——＂充电宝＂的热电转换系统
　　为了方便理解，我们可以把发生核反应的热源看作是＂小火苗＂，而发射电极则可以比作装满了电子的＂大水壶＂，当发射电极被加热到一定温度时，＂水壶＂里的电子便开始＂沸腾＂了，就像＂水蒸气＂一样从＂水壶＂中溢出来，飘到了接受电极，这么看，似乎空间核电源——＂充电宝＂的工作原理和蒸汽机还有一点相像呢。
　　Q8
　　核能还有什么应用吗？
　　除了上面提到的这些应用，核能还可以间接地服务于人类，包括核能制氢、供热供汽，以及海水淡化等。近几天，沙尘暴席卷北京，对人们日常出行以及身心健康产生不良影响，时刻提醒着我们解决环保问题的迫切性。而核能作为低碳高效的清洁能源，在提供能量的同时，又可以解决环保问题，具有巨大的发展潜力。
　　另外，核能还可以用于海水淡化，解决目前世界上可供饮用的淡水资源短缺的问题。核能在海水淡化的应用上具有哪些优势呢？将核能与海水淡化工艺结合，既可以为海水淡化提供所需的大量热能，同时清洁的核能可以缓解化石能源的供求矛盾，加快解决环境污染问题。具有巨大的应用潜力。目前国内的福建宁德核电厂、浙江三门核电厂、辽宁红沿河核电厂等几家核电厂均含有海水淡化项目在建或应用。
　　看了上面的介绍，相信大家对核能不再陌生。核能不仅可以用于核武器、核潜艇、核航母等军工领域，保障国家的安全和领土完整，还能用于解决当前困扰人们的能源问题，并能解决迫在眉睫的环境问题。可以说，未来核能的潜力是无限大的，如何利用好核能，做到与＂核＂共处，并且不再让人们谈＂核＂色变，让核能更好的为我们的生活服务，这是当前需要解决的一个关键课题，需要我们每一个人的努力。相信在不久的将来，核能将出现在我们生活的方方面面，我们的生活也必将因为核能而变得更加便利、舒适，让我们一起期待吧！
　　参考文献：
　　[1] 彭敏俊，船舶核动力装置。
　　[2] 肖刚，马强，海上核能利用与展望。
　　转自：小核爱科普
　　图文：高强、黄治文、张伟、陶佩佩、赵健、梁红梅、蒋琳、刘正
　　编辑：高强、刘正、王白雪
　　审核：曹鸿、谢忆、窦浩铭、高强
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