对李永乐老师6月13号晚视频关于切尔诺贝利事件透析及核电站发电原理的思考

本次思考从核电站利用原子能“烧开水”发电的微观原理、核电站反应堆的一般结构以及核辐射这种电离辐射对有机生命体破坏原理等几个方面进行分析。

一、原子能“烧开水”发电的微观原理

         根据李永乐老师的视频讲解以及以往的知识储备可以知道核能发电依据的是重原子的核裂变反应(质量较大的原子才可能发生核裂变反应,通常把它们称为重原子,核能发电中重原子由铀235充当),反应原理见下图。

该反应式清晰地表明了铀235发生核裂变反应释放能量的原理,即铀235的原子核被一个中子撞击成为两个质量更小的原子和二到三个新中子,并释放出大量能量(以热能和射线的形式,射线主要是x射线、γ射线、α射线和β射线,其中γ射线和β射线也是核辐射侵害有机生命体的主要原因,这里在“三”中进行探讨)。新生成的中子又可以与其它铀235原子发生相同的核裂变反应,以此类推,即核裂变反应属于一种指数级的链式反应。举个列子说明:

         假设一个核反应堆内部初始有a个中子和大量的铀235,这些中子能在同一时间完全撞击其它铀235原子释放出大量能量和固定三个中子,而新生成的中子也能在同一时间完全撞击其它铀235原子,……,以此类推。这样在n轮以后,这个反应堆内部共有a×3^(n-1)个铀235原子发生了核裂变反应。从数学的角度来考察以上这个式子的话,可以发现它是一个指数函数,而指数函数的图像是什么样的这里就不多赘述了。

         李永乐老师解释了基本的核裂变反应式后用爱因斯坦的质能方程来解释了质量亏损释放出能量的原理,大概意思就是这个核裂变反应发生后右边新产生的物质质量小于左边的发生反应的物质(这并不是质量不守恒,爱因斯坦质能方程并没有违背质量守恒定律,这点在最后作为补充解释),根据爱因斯坦质能方程,即E=mc^2可以知道,当质量发生了亏损则必然释放出能量,而释放出的能量以热能形式进一步转化为发电机的机械能,最后转化为电能(现今几乎任何一种发电方式,出了前几个步骤不用以外,最后这两个步骤都可以说是机械能转化为电能,具体原理就是根据法拉第电磁感应定律,具体可以自行百度,这里不多做赘述)。

二、核电站核反应堆的一般结构

   上图(称为石墨沸水堆)为李永乐老师讲课视频截图,此图简明扼要地描述了核电站反应堆的工作原理,观察上图可以看出石墨沸水堆大概有以下几个结构

1.堆芯:反应堆堆芯为一根根圆柱体状的铀棒,为防止反应过于剧烈发生爆炸,U235的含量被控制在为2%至5%之间,其余均为不会与中子发生核裂变的铀的同族元素铀238。

2.石墨:铀棒外层有层石墨,石墨的作用起到减速中子的作用。刚发生核裂变反应释放出的中子飞行速度很快,但是低浓度的铀235更容易和速度较慢的中子发生核裂变反应,而速度较快的中子则会与铀238结合,所以石墨的作用就是给快中子减速,方便中子和铀235发生核裂变反应。

3.沸水(冷却剂):由水泵机泵入反应堆的循环水起到吸收核裂变反应释放的热能的作用,水吸收核裂变释放的大量热能后沸腾(故名“烧热水”),沸水和蒸汽推动蒸汽机工作,蒸汽机带动发电机转子工作发电,这个过程成功将原子能转化为电能。

4.控制棒:控制棒是整个反应堆的控制开关,因为控制棒主要成分为硼,硼元素可以稳定吸收中子,防止多产生的中子进一步和铀235发生链式反应。因此可以通过控制插入堆芯的控制棒的数量和深浅程度来控制核电站反应堆开启、关闭以及功率等状态。

         以上就是核电站发电的核心组建的基本结构。

三、核辐射侵害有机生命体的原理

以上关于核裂变反应的微观原理中解释过,核裂变过程生成了新的原子和二到三个中子,这个过程发生质量亏损,根据质能方程可知这个过程必然释放出能量,而能量以热能和射线的形式释放。

         核裂变过程释放出的射线主要有γ射线、x射线、α射线和β射线,其中以γ射线和β射线对有机生命体伤害最大。γ射线这种高能粒子(波粒二象性,这些射线既是电磁波同时也是具有质量的高能粒子)最先作用于角质层,角质层吸收γ射线的热能和动能后很快便被从结构上被“瓦解”,可以理解成被高能粒子撞碎,角质层被瓦解后各种高能射线继续撞击深层细胞,这也是为什么切尔诺贝利事故发生后第一批赶到的消防员很快便皮肤脱落、内脏溃烂而死,视频中解说有一定问题,高能粒子虽然会释放热能但主要原因并不是灼伤。“撞击”,这便是核辐射危害有机生命体的第一种基本方式。

         核辐射侵害有机生命体的第二种方式其实也是由第一种方式间接导致,即“致癌”和“致突变”。因为分子都由原子构成,而本可作为阻挡高能粒子天然屏障的原子核只占原子结构的极小部分,这些比组成人体的原子的原子核体积还要小的高能粒子便可以大量穿过,当这些高能粒子撞击到携带遗传信息的DNA时便会发生可怕的事。生命体的构造和生命活动受到DNA上遗传信息的控制,而当DNA链条被高能粒子撞碎后,将无法正常控制人体生命活动。比如,出了神经细胞以外,人体干细胞本可以分化成全新细胞来代替衰老和受损细胞,但如果DNA被高能粒子撞碎了干细胞不受人体控制便可能发生癌变或者后代突变等现象。这也是切尔诺贝利后,参与救援的很多人在之后几年相继患癌以及后代突变畸形的原因。


补充(个人积累绝非复制粘贴):在之前说过铀235发生核裂变后产生质量衰减的问题,这是可以用爱因斯坦质能方程,即E=mc^2(式中E代表能量,m代表物质的质量,c为光速常量)来解释的,从铀235核裂变反应式看似不满足质量守恒,实际上爱因斯坦的智能方程是从更广阔的层面上来探讨物质质量和能量相互转化的问题,且严格遵循质量守恒定律和能量守恒定律。

         在质能方程以前人们总是认为质量与能量互不相关,各自满足各自的守恒定律。但爱因斯坦的质能方程改变了人们对物质质量和能量关系的思考方式,也为后来原子能的开发和利用奠定了理论基础。

          爱因斯坦认为物质和能量是同一物质运动性质的两个方面,二者可以相互转化相互计算。即物质发生了亏损系统将会释放出能量,而当能量减少时系统也会有新的物质生成。当一个系统发生质量亏损和能量减少时,另一个系统便对应有能量增加和物质生成,即爱因斯坦的质能方程从更广层面上来考察,是严格遵循质量守恒和能量守恒的质能守恒的。


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