核能——定义、类型、应用
核能，也称为原子能，是通过影响原子核（原子的致密中心）的操作而大量释放的能量。它不同于其他原子现象的能量，例如典型的化学反应，后者仅涉及原子的轨道电子。目前在全球许多地方用于发电的反应堆中的受控核裂变是释放核能的一种方式。受控核聚变是获得核能的另一种方式，它已显示出希望，但到 2020 年将无法实现。核聚变和核裂变都释放了大量的核能。
核能
The energy obtained from the conversion of nuclear mass is known as nuclear energy. Binding energy per nucleon of light nuclei and heavy nuclei is small as compared to the binding energy per nucleon of intermediate nuclei.
当一个重原子核分裂成两个较轻的原子核时，光和原子核的每个核子的结合能大于原始重核的每个核子的结合能。因此，在核分裂过程中释放出大量能量。这个过程被称为核裂变。
例如，1 公斤铀裂变产生 10 14 J 能量，而 1 公斤煤燃烧产生 10 7 J 能量。另一方面，当两个轻原子核融合或结合在一起形成一个相对较重的原子核时，每个核子的结合能就会增加。在称为核聚变的过程中释放出大量能量。
核反应
Atomic nuclei undergo changes as a result of nuclear reactions, which result in changes in the atom itself. Nuclear reactions change one element into something wholly other.
如果一个原子核与其他粒子相互作用，然后在不改变其他原子核性质的情况下分离，这个过程被称为核散射而不是核反应。这与放射性衰变无关。核聚变发生在可裂变材料中并导致诱导核裂变，是最明显的核反应之一。
核反应的类型
- 非弹性散射：当能量转移时，这种现象称为非弹性散射。它发生在能量水平高于阈值时。 IE
E t = ((A+1)/A)× ε1
其中 Et 是非弹性阈值能量，ε 1是第一个激发态的能量。
- 弹性散射：当能量从粒子转移到其预期的原子核时，就会发生弹性散射。这是减慢中子速度的最重要一步。在弹性散射的情况下，任何系统的全部动能都会保留下来。
- 转移反应：转移反应定义为吸收一个粒子，然后发射一个或两个粒子。
- 捕获反应：当原子核捕获中性或带电粒子，然后发射射线时，就会发生捕获反应。中子俘获过程产生放射性核素。
Why Nuclear fusion is known as a thermonuclear reaction
Nuclear fusion cannot take place so easily. When two light nuclei are brought closer to each other, they exert a repulsive force on each other due to their positive charges. As such, these nuclei cannot fuse together. These nuclei confuse together if they have enough kinetic energy to overcome the force of repulsion between them. High kinetic energy implies a high temperature. Thus, nuclear fusion can be achieved at a very high temperature and hence is known as a thermonuclear fusion reaction. in fact, the temperature of the order of 107 K is required to trigger nuclear fusion. This much temperature is available in the core of the sun and other stars, so nuclear fusion is possible in the sun and other stars.
核能的应用
- 可裂变材料（燃料）：反应堆中使用的可裂变材料称为反应堆燃料。铀同位素（U 235 ）、钍同位素（Th 232 ）和钚同位素（Pu 239 、Pu 240和Pu 241 ）是反应堆中最常用的燃料。
- 慢化剂：慢化剂用于减慢快速移动的中子。最常用的慢化剂是石墨、水和重水。当重水用作慢化剂时，则可以使用普通铀或非浓缩铀作为燃料，因为重水有更多的中子产生裂变。在普通水作为慢化剂（电子很少）的情况下，浓缩铀被用作燃料。
- 控制材料：控制材料用于控制链式反应并保持稳定的反应速率。这种材料控制可用于裂变的中子数量。例如，镉棒被插入反应堆的核心，因为它们可以观察中子。通过将镉棒移入或移出反应堆核心来控制可用于裂变的中子。
- 冷却剂：冷却剂是一种冷却材料，用于带走反应堆裂变产生的热量。常用的冷却剂有水、CO 2氮等。
- 防护罩：混凝土厚壁形式的防护罩围绕反应堆的核心，以保护在反应堆周围工作的人员免受有害辐射的伤害。
示例问题
问题1：计算下列反应释放的能量：
3李6 + 0 n 1 ⇢ 2 He 4 + 1 H 3
其中3 Li 6的质量=6.015126amu， 1 H 3的质量=3.016049amu， 2 He 4的质量=4.002604 amu， 0 n 1的质量=1.008665 amu。
回答：
Total mass of reactants = 6.015126 + 1.008665 = 7.023791 amu
Total mass of products = 4.002604 + 3.016049 = 7.018653 amu
Mass difference = (7.023791 – 7.018653) = 0.005138 amu
Energy released = 0.005138 × 931 MeV = 4.783MeV.
问题 2：原子核最初静止时为92 Y 235 ，通过在 α 粒子上发射而衰变，根据方程：
92 Y 235 ⇢ 90 X 231 + 2 He 4 + 能量
已知母核和子核的每个核子的结合能分别为7.8 MeV和7.835MeV，α粒子的结合能为7.07 MeV/核子。假设子核在未激发状态下形成，忽略其在反应能量中的份额。计算发射的 α 粒子的速度。取α粒子的质量为6.68×10 -27 kg。
回答：
Q = (7.835 ×231) + (7.07 × 4) – (7.8 × 235 )MeV
= 5.18 MeV
= 5.18 ×1.6 ×10-13J
This entire kinetic energy is taken by α particle as given
1/2 mv2 = 5.18 × 1.6×10-13
1/2 × 6.68 ×10-27 v2 = 5.18 × 1.6 ×10-13
v = 1.57 × 107 m/s.
问题3：铁（ 26 Fe 56）裂变成铝（ 13 Al 28）是否可能如下所示？
26铁56 ⇢ 13铝28 + 13铝28 +Q
给定26 Fe 56的质量 =55.934940u 和13 Al 28的质量 =27.98191 u。
回答：
Q value =mass of 26Fe56 – 2 ×mass of 13Al28
= (55.934940 – 2 ×27.98191) ×931.5 MeV/u
= -0.02892u × 931.5 MeV/u
= -26.94 MeV.
问题 4：每个聚变反应释放 20 MeV 能量
1 H 2 + 1 H 2 ⇢ 2 He 4 + 0 n 1
计算功率为 1 MW 的聚变反应堆在 1 天内消耗的1 H 2的质量。
回答：
P =1 MW =106 W =106 Js-1
t =1 day =24 × 60 × 60 = 86400 s
Energy released in 1 day = 86400× 106 J
Energy released per fusion = 20MeV
= 20 × 1.6 ×10-13 = 3.2 × 10-12 J
Mass of 1H2 consumed in one fusion (1H2 + 1H2) = 4u
= 4 ×1.66 ×10-27 kg = 6.64 ×10-27
= 6.64 × 10-27/ 3.2 × 10-12 × 86400 ×106
= 1.79 × 10-4 kg
问题5：计算三个α粒子（ 2 He 4 ）融合形成碳（ 6 C 12 ）核时释放的能量，给定m（ 2 He 4 ）= 4.002603 amu。
解决方案：
2He4 ⇢ 6C12 +Q
Q = m(3 2He4) – m(6C12)
= 12.0078 – 12 = 0.007809
Energy released = 0.007809 × 931 MeV
= 7.27MeV