自日本9.0级大地震诱发福岛核电站危机以来,核泄漏、核辐射、核安全、核恐慌……众多以“核”为关键词的讨论声浪,在人们心中卷起层层阴云,乃至流言四起,甚而有人担心起毁灭性的核爆炸。
借用日本作家村上春树作品《当我谈跑步时,我谈些什么》的书名,我们不妨自我发问,当我们谈论“核”时,我们究竟谈些什么?原子核,对大多数人而言,依然既熟悉又陌生。
日前,南开大学举办科普讲座,院士专家先后登台为学子和公众“科普解惑”。
95岁高龄的中国科学院院士、南开大学教授申泮文登上讲坛,以“核辐射离我们有多远”为主题,以化学家的眼光和视角,深入浅出地介绍核知识,并解析福岛核电站危机中的重重疑云,以期揭开包裹在“核”之上的神秘面纱。
细说核裂变:微小反应的庞大效应
申泮文从原子核裂变反应所需的基本元素铀说起。铀是元素周期表中第92号元素,意味着铀原子核内有92个质子。这个在自然界中能找到的最重元素,天然存在着三种同位素,占0.0056%的铀-234,0.718%的铀-235以及99.27%铀-238。
第二次世界大战之前,在德国工作的奥地利女科学家迈特纳与其老师奥托·哈恩等人发现了原子核裂变反应,其中包括铀-235与一个中子相撞之后裂变为两个原子的现象。
铀-235发生裂变,必须吸收一个运动速度较慢的中子,让它慢慢地“溜”到原子核中。生成的铀-236不稳定,立刻就分裂成两个原子。92号元素铀的分裂过程中,包含几个重大问题。
首先,铀-235分裂成质子数之和为92的两个原子,变成两种元素。例如,可以分裂成钡(Ba,质子数56)和氪(Kr,质子数36);氙(Xe, 质子数54)和锶(Sr,质子数38);锑(Sb,质子数51)和铌(Nb,质子数41);碘(I,质子数53)和钇(Y,质子数39)等等。而这些元素的同位素,通常具有放射性,有的放射寿命很长,有的则较短。媒体中提到的碘-131,就是裂变之后产生的一种放射性很强的碘同位素,会对人体造成放射性污染。
其次,裂变产生的两个新原子核,其质量之和少于原来铀-235的原子核质量,质量亏损将转变为巨大的能量。依照爱因斯坦的质能方程,其产生的能量相当于化学反应热的百万倍。由此,“裂变能”成为原子弹的基础,也是原子能裂变反应堆放热的依据。
同时,在裂变反应中会产生2到3个多余中子,经过一定控制,将其速度减慢后则又可以“钻进”铀-235原子核中。这样一来,就将引发原子核分裂的“链式反应”,又叫“雪崩式反应”。这同样是原子弹所必需的条件。而对核电站而言,则需要控制中子,用控制材料“吃掉”中子以减少“链式反应”,从而产生稳定的热量,这是原子能反应堆的基本原理。
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