1克鈾235裂變釋放多少能量,一座核電站一年會消耗多少鈾?

2021-01-14 電力網


  1克鈾-235裂變釋放能量,相當於2.8噸標準煤燃燒釋放的能量。


  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:

  


  其中200.55 MeV=3.2×10-11焦耳,也就是說一個鈾-235原子裂變,釋放能量為3.2*10^-11焦耳,於是可以計算出:


  (1)一摩爾鈾-235原子,質量為235克;


  (2)1克鈾-235原子,就是1/235摩爾,大約是2.56*10^21個鈾原子;

  於是一克鈾-235裂變,釋放能量為:


  E=3.2*10^-11*2.56*10^21=8.2*10^10焦耳;


  標準煤熱值為29308KJ/kg,所以1克鈾-235裂變釋放能量,相當於2798千克標準煤釋放能量。


  可以看到核裂變釋放的能量是巨大的,一座普通的核電廠,一年只需幾噸鈾-235材料,就能滿足全年的發電需求。


  比如我國秦山核電站,年發電量約500億千瓦時,每年消耗的鈾-235在5噸左右,對應的高濃縮鈾體積大約是1/4立方米,但是核電廠採用的是低濃縮鈾。

  


  但是從質能轉化上看,核裂變的質能轉化效率是很低的,一克鈾-235釋放能量8.2*10^10焦耳,虧損質量可以根據質能方程得出:


  m=E/c^2≈0.0009克;


  虧損率為:


  η=m/m=0.09%;


  而氫元素的核聚變反應中,質量虧損率為0.7%,效率比核裂變高了十多倍;鈾-235在地殼中的含量非常有限,但是氫的同位素在海水中大量存在,這也是各國著重研究可控核聚變的原因。(艾伯史密斯)


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    一克鈾-235大約需要數百億年才能徹底釋放其能量,因為一克鈾並不能以鏈式反應的方式產生裂變,原因是它的無法達到臨界質量,不過可以只用來計算每一克鈾釋放的能量,那麼它到底有多大呢?一克鈾徹底裂變釋放的能量相當於2.9噸標準煤鈾的能量是通過重元素裂變所釋放的,有比較簡便的計算經驗計算方式,或者採用每摩爾鈾-235原子的數量,再按單個原子裂變的產生的能量計算,兩種都差不多,我們可以簡單做個計算
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