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核电站控制室中的工作人员能够监视核反应堆并在发生故障时采取行动
铀-235并不是核电站中唯一可用的燃料。核电站的另一种燃料是钚-239。钚-239 可以使用中子轰击铀-238得到——这就是核反应堆中时时刻刻发生着的事。
亚临界、临界和超临界状态
铀-235原子分裂时会(根据分裂方式的不同)释放出两个或三个中子。如果附近没有铀-235原子,那么这些中子将会以中子射线的方式飞走。如果铀-235原子是一块铀的一部分——那么附近就有其他铀原子——于是将会发生下面三种情况:
如果,平均起来,每次裂变正好有一个自由中子击中另一个铀-235原子核并使它发生裂变,那么这块铀的质量就被认为是临界的。其质量将维持一个稳定的温度。核反应堆必须被维持在临界状态。
如果,平均起来,击中另一个铀-235原子的自由中子少于一个,那么这块质量就是亚临界的。最终,物质的诱发裂变会终止。
如果,平均起来,有超过一个自由中子击中了另一个铀-235原子,那么这块铀的质量就是超临界的。铀会热起来。
对于核弹,其设计者要求铀的质量远远超过超临界质量,这样燃料块中的所有铀-235能够在极短的时间内全部发生裂变。在核反应堆中,反应堆堆芯需要稍微超临界,这样工作人员就能控制反应堆的温度。工作人员通过操作控制棒来吸收自由中子,以使反应堆维持在临界水平。
燃料中铀-235的含量(浓缩水平)和燃料块的形状决定了铀的临界状况。可以想象,如果燃料是细薄的片状,那么多数自由中子将会飞出去而不是撞击其他的铀-235原子。球形是最佳的形状。以球形聚集在一起以实现临界反应的铀-235的量大约为0.9公斤。这个量因此被称为临界质量。钚-239的临界质量大约是283 克。
可能出现的问题
核能发电有一个重要的优点——非常清洁。与火电站相比,核电站从环保角度来讲简直就是做到了极致。火电站向大气中释放的放射性物质比核电站还多,同时它还向大气中释放大量的碳、硫和其他元素,非常不幸的是,核电站的运行也存在一些严重的问题:
铀的开采和提纯并不是非常清洁的过程。
非正常运行的核电站能够带来大问题。切尔诺贝利灾难是最近的一个例子。切尔诺贝利核电站的设计不良并且运作不当,这场灾难展示了核电站可能发生的最糟糕的情况。切尔诺贝利核电站向大气中泄漏了成吨的放射性尘埃。
核电站的乏燃料在几百年内都是有毒的,并且到目前为止,世界上没有能安全、永久地存储它们的设施。
运输核燃料往返于核电站带来了一些风险,不过迄今为止,美国并没有发生过这种事故。
很大程度上,以上这些问题使得在美国建设新核电站的尝试偏离了正常轨道。因为社会似乎普遍认为建设核电站风险超过了回报。
揭秘核聚变反应堆工作原理
与其他能源相比,核聚变反应堆有几项显著的优点,因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足,辐射泄漏也处于正常范围之内,与目前的核裂变反应堆相比,其放射性废物更少。
然而迄今为止,还没有人将这一技术应用到实践中,但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前,核聚变反应堆正处于试验阶段,世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。
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