鈾的能量從哪裡來?《Nature》:宇宙中的核聚變

2020-12-05 關注未來世界

眾所周知,放射性核素鈾蘊含著巨大的能量,一公斤鈾所蘊含的能量相當於800噸標準煤。那麼問題來了,這麼多能量是怎麼壓縮、存儲到鈾的原子核裡的呢?

近日,美國的研究人員在國際頂級學術期刊《Nature》上發表了一篇研究論文,用一個獨特的視角來分析和解釋了太陽系的起源和形成過程,同時也解釋了太陽系中各種重金屬元素的來源,包括金、鉑、鈾,以及錒系元素等。

地球上的重金屬元素從哪裡來?

在地球形成之前大約1億年,太陽系還只是個雛形,那時候,整個太陽系的溫度非常高,而且所有的元素都是混在一起的,就像一鍋雜燴湯一樣。當時在太陽系的附近,距離僅有1000光年的地方,有兩顆中子星,它們之間因為引力的吸引,發生了一次重量級的碰撞,產生了巨大規模的爆炸,隨後這兩顆中子星合二為一。由於這場爆炸發生的地點距離太陽系很近,所以爆炸過程中合成的一些物質,帶著爆炸產生的動能,飛入了太陽系。這場爆炸合成的元素中含有大量的金、鉑和鈾等重金屬元素,因此,在太陽系形成早期,這些在現在看來十分稀有和珍貴的元素其實是很豐富的。

兩顆中子星撞擊,爆炸,產生重金屬元素

後來隨著太陽系的溫度逐漸降低,各種元素相互抱團、聚集,又經歷了體積收縮,就形成了地球以及其它行星的雛形。在這個過程中,地球很幸運地分到了相當大的一部分重金屬元素。然而,從地球形成到現在,又經歷了大約45億年的時間,隨著時間的推移,許多重金屬元素在天然的裂變過程中逐漸轉化成其它比較輕的元素,因此天然存在的金、鉑和鈾這些元素就變得越來越稀有。

所以說,現在我們在地球上看到的重金屬元素,很大一部分來自那兩顆中子星的聯誼活動。在它們合併後,產生了一個帶有吸積盤的黑洞。在吸積盤的潮汐力和宇宙風的作用下,黑洞噴射出大量的富中子物質。這些噴射出來的物質與快中子結合,發生核聚變反應,產生了各種重金屬元素,包括金、鉑、鈾,以及錒系元素等。一部分噴射物進入太陽系的雛形,並且留在了這裡。

這個過程並不是憑空幻想出來的,科學家有一定的依據來支持這一猜想。科學家主要的研究方法是,將中子星合併時產生的太空隕石中發現的放射性同位素的含量,與銀河系相應的數值模擬的結果進行了比較。

結語

原來,是宇宙中的大型爆炸事件中特殊的反應條件,催生了可裂變核素鈾,以及金、鉑這些貴金屬,核素鈾所蘊含的巨大能量最早來自宇宙中的核聚變反應。

這場爆炸事件發生在大約46億年前。今天,金、鉑這些貴金屬元素被製成婚戒,鈾、錒系元素被用來開發原子核能,這些都是宇宙的饋贈,是現代的人類與過去的宇宙之間聯繫的紐帶。

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    首先裂變是有臨界質量的,低於臨界質量的裂變材料,無法發生鏈式反應,鈾-235的臨界質量大約是25千克,所以鈾-235製成的核彈,存在最小質量。    如果我們不考慮臨界質量,只計算1克鈾-235裂變釋放的能量,那麼鈾-235的裂變反應方程式為:
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    人類利用核能是從核裂變開始的,從費米在芝加哥大學建立人類第一個核反應堆開始,到後來美國轟炸日本的兩顆原子彈,再到現在的核電站,這些都是核裂變的產物。核裂變的原理其實並不複雜,其實就是用中子去轟擊裂變材料的重原子核,這些重原子核被轟擊後會分裂為二到三個輕原子核,同時還會釋放出二到三個中子,這些中子又會轟擊其他的重原子核,這樣一來在極短的時間內就釋放了巨大的能量,這種過程被稱為鏈式反應