1克鈾-235完全裂變所產生的能量,相當於多少噸標準煤完全燃燒所產生的能量?

聿楓


這個問題其實其他兩個答主已經計算的非常清楚了,但是我們必須知道一點:這個問題的前提條件是必須更多鈾完成鏈式反應後平均計算下的能量,單單僅有1克鈾-235是不可能發生完全裂變的,因為其都沒有達到臨界質量。

臨界質量

什麼是臨界質量?我們必須從核裂變的原理說起,U235+中子=鋇138+氪95+3箇中子,這就是鈾裂變的方程式,簡單來看就是利用中子去撞擊鈾235,從而產生能量。


但問題是我們需要的是不僅僅是一個鈾核裂變,我們仔細看反應式會發現撞擊後仍有3箇中子的產生,這些中子因為有著巨大動量,因此可以作為碰撞其它鈾核的中子,所以我們就需要保證這些中子撞擊鈾核而不是飛出去,所以質量的大小就尤為重要,因此臨界質量就是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。

1克鈾裂變的能量

其它答主計算的已經很好了,簡單來說就是一個鈾235原子裂變釋放的能量是3.204e-11J,將一克鈾換成鈾原子數即可算出一克鈾裂變的能量。最後再與每公斤煤釋放的能量29307000J相比就能夠得出本題答案。


答案是2.8噸煤,(具體計算可自行計算或看其他答主)看起來這一克鈾的能量是真的大!但事實上如果按質量虧損來說也不過不到0.1%,而聚變則是它的幾乎10倍!所以聚變才是未來!


科學認識論


作為一名核電從業者、核物理學習者科普下這個嚴肅的核物理問題,簡要的計算過程如下,也可以直接跳到文中答案:

1克鈾235約等於0.004255摩爾,每摩爾物質含有阿伏伽德羅常數個原子,即1克鈾235大約是0.004255乘以6.0221415 × 10^23等於2.562× 10^21個原子。


鈾235每裂變一次能夠放出約200MeV的能量,1MeV等於1×10^6 ×1e×1V,約等於1.6×10^-13焦耳能量,如果1g鈾235完全裂變放出的能量E就是:

2.562× 10^21×200×1.6×10^-13=8.197×10^10J=81970MJ。

至此,得出1克鈾-235完全裂變所產生的能量為8.197×10^10J即81970MJ能量。

1kg標準煤充分燃燒放出的熱量為29.27MJ,1噸標準煤放出的熱量就為29270MJ,所以1g鈾235完全裂變放出的能量相當於2.8噸標準煤完全燃燒放出的熱量。

U235的威力如此之大,是不是弄幾克鈾裂變一下就可以度過一整個冬天了呢?

當然不是的,這個問題回答到以上是結束了,但是並不符合實際工程應用。

在核工程中,民用反應堆鈾235的富集度不會超過5%,鈾燃料也不是以鈾235原子形式存在,而是以二氧化鈾的形式存在的,相當於1克的鈾235會配套約19克的其他物質(大部分是鈾238和氧),鈾235原子吸收中子後也不會全部發生裂變,也有可能發生輻射俘獲反應,相當於這部分原子雖然吸收了中子,也參與了核反應,但並不是我們要求的核反應,工程計算時需要考慮俘獲裂變比,這些都是在核工程計算中需要考慮的因素,因此實際工程中放出的熱量也比理論計算值要小,而且1g的鈾也是無法達到最小臨界質量的,因此實際中1g鈾是無法利用取暖過冬的。

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核先生科普


核彈問題問W君吧,首先是1克鈾-235這東西沒有!

從天然鈾礦中生產產的金屬鈾中鈾235的含量只有千分之7.2。需要通過鈾濃縮的手段做出濃縮鈾。普遍上來看5%含量的濃縮鈾就已經可以給核電站作為燃料使用了。而武器級的濃縮鈾也僅僅需要90%的鈾235的含量。

這是美國的氣體鈾離心機,通過這些一個個離心機罐子才可以將鈾235逐漸的分離出來。饒是如此,美國的濃縮鈾中鈾235的含量也沒有超過98%的。基本上連優級純都到不了的。

不過這並不妨礙我們設想一克鈾-235完全裂變所產生的能量到底有多少。

這裡有一個很好的計算方式就是利用摩爾數計算原子重量的方法,一摩爾的鈾235重量為235.0439299克。那麼一克鈾-235的重量就是0.00425452382摩爾,同時,我們又知道一摩爾的任何物質有6.02214129E23個分(原)子。這樣我們就可以計算出一克鈾-235裡面有多少原子了。

答案是2.5621344E21個原子。

當中子命中鈾-235的原子核的時候,鈾-235會釋放能量。我們將所有一克鈾-235釋放的能量加起來就是一克鈾-235完全裂變所產生的能量了。

大量的實驗和計算表明 一枚鈾-235的原子在吸收中子後裂變可以釋放出202.5 MeV電子伏特的能量,相當於 3.2444077E-11焦耳的能量。

那麼我們使用2.5621344E21(鈾-235原子個數)X 3.2444077E-11(每個原子裂變產生的能量) 就可以計算出一克鈾-235原子所釋放的能量了。

答案是:83126085757.9焦耳,也就是83126.0857579兆焦。

這個能量相當於19.86噸TNT炸藥爆炸所產生的能量(一噸TNT當量=4.184×E9 焦耳)。

然而好玩的事情來了!煤這個東西結構成分複雜,不同的煤燃燒後所產生的熱量不一樣。既然題主說的是標準煤,那麼咱們就說國家標準煤吧,1千克國家標準煤燃燒釋放熱量為7000大卡。1大卡的能量為4184焦耳那麼一噸煤所燃燒釋放出的能量為 29288兆焦。

所以我們可以直接算除法了 83126.0857579/29288 =2.838 噸 煤。

等等,是不是發現1克鈾-235相當於2.828噸煤燃燒產生的熱量有疑問呢?畢竟要產生1克鈾-235裂變所達到的能量需要19.86噸TNT啊。

這就是炸藥和燃料之間不同了,炸藥可以在一瞬間釋放所有的能量,而燃料則是在很長的燃燒過程中持續不斷的釋放能量,而且一般的燃料都比炸藥能量高。

剛剛說的核材料純度問題了,我們找不到1克的純鈾-235度,但可以使用更多的鈾-235進行反應。例如使用原子彈。

當年投到廣島的原子彈“小男孩”中填充了45公斤的90%純度的濃縮鈾,在爆炸的時候有一公斤濃縮鈾參與反應,釋放的能量相當於2萬噸TNT炸藥爆炸釋放出的能量。2萬噸/19.86噸 = 1007.04934542克,這樣也能基本驗證了上面計算的正確與否。

從上面的例子來看45公斤的濃縮鈾才鈾1公斤參與反應,因此,1克完全裂變這事情和100%的鈾-235一樣也都只是一個理想狀態。


軍武數據庫


答: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。


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艾伯史密斯


我對核的認識深深好奇,這種物質居然發出這麼巨大的能量,令人毛骨悚然!專業的數據實在搞不懂,只知道一克鈾完全裂變瞬間發出的熱量相當於3噸標準煤燃燒時的溫度,並且是一瞬間,零點幾秒鐘以內突然爆發。相當於2萬升汽油(即3萬斤汽油)燃燒時的能量,這是理論的算法,事實上鈾要達到臨界質量才能裂變,臨界質量最少十幾二十幹克,一克鈾用火點怎麼都怎點不燃,用鐵錘使勁砸都砸不爆炸。






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