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核子反應與核能利用. Dec. 22, 2012 陳御中. 概覽. 能量的來源 核衰變與核分裂 核能 電廠的原理 核彈的原理 核 融合反應 氫彈與核 融合電廠 ?. 能量的來源. 《 物體的慣性同它所含的能量有關嗎？ 》 （ Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig ? ） -- A. Einstein , 德國 《 物理 年鑑 》, 1905. 核衰變與核分裂. 元素週期表與放射性元素. 核衰變. 同位素 穩定 島與放射性元素 核衰變類型
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核子反應與核能利用 Dec. 22, 2012 陳御中
概覽 • 能量的來源 • 核衰變與核分裂 • 核能電廠的原理 • 核彈的原理 • 核融合反應 • 氫彈與核融合電廠?
能量的來源 《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》 （Ist die TrägheiteinesKörpers von seinemEnergieinhaltabhängig? ） -- A. Einstein,德國《物理年鑑》, 1905
核衰變與核分裂 元素週期表與放射性元素
核衰變 • 同位素 • 穩定島與放射性元素 • 核衰變類型 • 鈾-235的衰變模式
元素的分類依據其化學性質而定，而元素的化學性質則因各元素所帶的質子數量—原子序Ｚ而定。另外，元素的原子（質）量被稱為質量數Ａ，定義為質子（數）量＋中子（數）量。不過，我們發現自然界中各元素都有質子數相同但原子量不同的例子。元素的分類依據其化學性質而定，而元素的化學性質則因各元素所帶的質子數量—原子序Ｚ而定。另外，元素的原子（質）量被稱為質量數Ａ，定義為質子（數）量＋中子（數）量。不過，我們發現自然界中各元素都有質子數相同但原子量不同的例子。 同位素：同一元素的不同原子， 其原子具有相同數目的質子，但中子數目卻不同。 例如： 是 的同位素，常用於考古定年。 是 的同位素，多用於放射醫療。
原子核中的質子與中子比例決定了原子的穩定性！原子核中的質子與中子比例決定了原子的穩定性！ 輕的元素 重的元素 右圖:元素穩定島 黑色塊為穩定元素 過多或過少中子的同位素皆不穩定。 從右圖與周期表可知，當原子序 已無穩定元素。
不穩定的元素其原子核會自發地放出射線（如α射線、β射線、γ射線等），這種現象稱為衰變。最終不穩定的元素將衰變成穩定的元素而停止放射（衰變產物）。因此，這類會放射衰變產物的元素被稱為放射性元素。不穩定的元素其原子核會自發地放出射線（如α射線、β射線、γ射線等），這種現象稱為衰變。最終不穩定的元素將衰變成穩定的元素而停止放射（衰變產物）。因此，這類會放射衰變產物的元素被稱為放射性元素。 一塊大量放射性元素聚集的物質，其衰變掉一半數量的時間稱為半衰期。然而，其中的任一原子是否衰變，是不可得知的，只能以機率描述。 經過測量，元素衰變後的總靜止質量必略少於衰變前的元素之靜止質量。損耗的質量將轉成衰變後的質量粒子的動能，以及γ射線的電磁能（光能）。
取自聖工坊 http://www.sunartscience.com/live_07_02.html
核分裂 中子進行撞擊 ←鈾235 吸收中子後形成極不穩定之鈾236同位素 ←鈾236 分裂 γ射線 鋇141 氪92 由此繼續鏈式反應→ 中子
核分裂與連鎖反應 取自聖工坊 http://www.sunartscience.com/live_07_02.html
核能電廠的原理 • 連鎖反應的條件 • 鈾235與鈾238合金，鈾235的比重需達3%~5%。 • 第一次啟動反應需中子源。 • 鈾合金燃料需達到足以形成連鎖反應的臨界質量。 • 將快中子減速至熱中子 （動能 ）使鈾235捕獲中子的機率最大化。 • 控制中子數量，以控制連鎖反應。 中子反射層
鈾的濃縮技術 • 氣體擴散法:讓六氟化鈾此氣體通過一系列薄而多孔的屏障。由於235UF6的分子量較238UF6小，因而在相同的溫度下前者的速度較快。經過多重的屏障後，即可得到2% 到3% 的濃縮鈾235。 • 離心法:當氧化鈾在高速下旋轉運動時，238U之化合物將向外移動，235U之化合物則向內層移動，以達分離出濃縮鈾的目標。 • 雷射濃縮法:先將鈾置於爐中使其形成蒸氣狀，而後以高能單色 ( 或單波長 ) 雷射光照射。照射後，235U原子將形成激態 (excited state)，反之238U則不受影響。此時再以紫外線照射激發態的235U原子，以使其形成離子化，最後以電子設備收集之。
核子反應爐主結構 控制棒：吸收中子（中子吸收劑：硼、鎘 ）。 燃料棒 水:作為傳遞熱能或轉換熱能為動能之用，也作為中子減速用。
核反應爐原理 取自聖工坊 http://www.sunartscience.com/live_07_04.html
核三廠介紹 取自聖工坊 http://www.sunartscience.com/live_07_03.html
西非加彭（Gabon）共和國 －－奧克洛（Oklo）反應堆 天然的？史前文明的？ 1972 年 6 月某天，法國一位化驗員正在處理一些加彭運來的鈾礦，分析後，發現其鈾235 含量只有 0.7171%，少於正常的 0.7202%。 因為天然的鈾礦，超過 99% 都是鈾238，0.7202% 為鈾235，其餘為其他重量的鈾原子。
由實驗室追溯至礦源，發現問題在於鈾礦本身。拿當地更多礦石化驗，發現某些鈾235 含量甚至低到 0.440%！當地煉鈾工廠從 1970 年 12 月至 1972 年 5 月共輸出700 噸鈾，「不翼而飛」的鈾235 約 200 公斤，夠製六個核子彈！鈾235 去了哪裡？ 鈾礦缺了鈾235，卻多了另外一些東西 －－ 核裂變產物（nuclear fission products ）。鈾235 裂出來的原子大小不一，屬多種不同元素，這群元素泛稱「核裂變產物」，包括碘（iodine）、銫（cesium）、釓（gadolinium）、釹（neodymium）、鈀（palladium）等。 科學家計算，上述鈾礦中少的鈾235 和多的核裂變產物剛好吻合，好像發生過連鎖反應一樣，十足一個荒廢已久的核反應堆（平均功率十萬瓦特）。荒廢了多久？根據周邊泥土和核裂變產物的組成推算，反應堆荒廢約二十億年。
鈾礦自發產生「自持裂變反應」的黑田和夫（Paul K. Kuroda）條件： 鈾礦礦脈的大小必須超過誘發裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右﹔ 鈾235必須足夠豐富（超過3%）﹔ 有中子源啟動反應； 存在某種中子「慢化劑」（moderator）； 保證礦脈中不能出現大量的硼、鋰或其他可吸收中子使核裂變反應 停止「毒素」。 ＷＨＹ？ 滲透水太均勻？ 中子源哪裡來？
核彈的原理 三位一體核試（Trinity），人類史上首次核子試驗代號，美國陸軍在1945年7月16日於新墨西哥州索科羅舉行。
右圖：小男孩(Little Boy)原子彈。長3m，寬71cm，重4,000公斤。使用「鎗式」設計。1945年8月6日由保羅·提貝茲（Paul Tibbets）駕駛的B-29超級空中堡壘轟炸機「艾諾拉·蓋」（Enola Gay）在廣島相生橋上空31,000呎（9,000米）投下。在日本當地時間早上8時15分，在1,800呎（550米）高度爆炸。 左圖：胖子(Fat Man)原子彈。長3.25m，直徑1.52m，重4545公斤。釋放的能量約相等於2.1萬公噸的TNT烈性炸藥。使用「內爆式」設計。1945年8月9日，即廣島首枚原子彈爆炸後3天，由查爾斯·斯威尼（Charles Sweeney）駕駛的B-29超級空中堡壘轟炸機「伯克之車」（Bockscar）在長崎上空31000英呎（9000米）投下。在日本當地時間早上11時02分，在1,800呎（550米）高度爆炸。
槍式核彈 鈹與鈾238合金 之中子反射層 超過臨界質量50kg的鈾-235被分成了兩塊低於臨界質量的部分，其中的一塊會被以類似槍械彈丸發射的方式擊中另一塊，從而引發爆炸。大約只有1.5%的鈾發生了裂變。
內爆式核彈 使用6.2kg鈽239，體積大約350ml。這僅僅是未封裝球形情況下的臨界質量的39%。核裝藥以鈾238包裹並充當中子反射層，使核裝藥接近了臨界質量。核裝藥的周圍均勻的放置了常規炸藥，由多個起爆電橋線形雷管觸發將這些炸藥在引爆時同時起爆。內爆使得鈽被強烈壓縮密度增加，達到了臨界質量並開始鏈式反應。根據估計，大約只有20%的鈽發生了裂變。
中子源---核彈的引爆器 海膽（Urchin） 這個裝置包括釙-210和鈹，這兩部分被一個薄片分開。核裝藥內爆時，將會壓碎海膽， 使兩部分金屬混合在一起，這樣釙衰變產生的α粒子會與鈹相互反應，從而產生自由中子。 在現代的核武器中，中子源是一個包含有一個加速器的高電壓真空管，加速器用氘氚原子核轟擊氘氚的金屬化合物，產生的小規模聚變會釋放出能夠射入核裝藥的自由中子。這個方式可以更好地控制鏈式反應的起始時間。
核融合反應 氘-氚 （D-T）的核融合反應產生氦（He）與中子（n），期間釋放出的核能，是目前考慮中的未來主要能源。
質子-質子鏈反應是太陽和比太陽輕的恆星產生能量的主要方式。質子-質子鏈反應是太陽和比太陽輕的恆星產生能量的主要方式。
核融合原理 取自聖工坊 http://www.sunartscience.com/live_07_05.html
