从铀矿石变成原子弹消耗的能量多

从铀矿石变成原子弹消耗的能量多,还是原子弹爆炸释放的能量多?

原子弹利用了重核裂变的原理,主要的原料为铀-235和钚-239。当铀-235或者钚-239被中子轰击之后,它们会裂变为更轻的原子核。反应后质量出现亏损,质量方程表明,那些质量转换成了能量。与此同时,裂变过程还会释放出新的中子,这些中子又会轰击其他重原子核,引起链式反应,从而可以释放出巨大的能量。

为了制造原子弹,铀-235的浓度需要达到90%,钚-239的浓度需要达到93%。要制得武器级纯度的核材料,并非是一件容易的事情。

从铀矿石变成原子弹消耗的能量多,还是原子弹爆炸释放的能量多?

铀-235需要从铀矿石中获得。但在自然界中,铀矿石中只有大约0.7%的铀-235。为了提高铀-235的浓度,需要经过一系列的提纯过程。提纯方法主要是气体离心法,这需要耗费大量的能量。据估计,200吨的铀矿石只能提炼出1公斤的武器级浓缩铀。再加上探矿、采矿过程,提纯铀-235将需要耗费巨大的能量。另一方面,钚-239需要从核反应堆中提炼出来。

在二战期间,美国投向广岛的“小男孩”原子弹是一颗铀弹,包含了64公斤铀-235,结果只有大约1.56%的铀-235发生了核裂变反应,大部分的铀-235都被浪费掉。这颗原子弹爆炸所产生的能量约为5.5×10^13焦耳,相当于1500万度电。

从铀矿石变成原子弹消耗的能量多,还是原子弹爆炸释放的能量多?

如果单从能量的角度来看,原子弹的投入肯定是大于产出的。尽管如此,核武器的威慑力不言而喻,这并不是一道简单的算术题。

另一方面,如果从发电的角度来看,核裂变反应产生的能量肯定要大于制造核材料的能量,否则用核燃料来发电就没有任何意义。核电站用铀-235的核裂变反应来产生能量,加热水产生水蒸气,由此推动汽轮机带动发电机进行发电。

从铀矿石变成原子弹消耗的能量多,还是原子弹爆炸释放的能量多?

​在核电站中,铀-235的浓度约为3%,远低于武器级,所以提炼的成本要比高浓缩铀低了很多。只有这样,通过核裂变反应来发电才是合算的。

未来,如果可控核聚变能够被人类掌握,我们将能大幅度提高质能转换效率,用核聚变反应来发电将有望解决能源短缺问题。

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