核二三事 | 核能分类及特征

核能的发展和利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一。它通过转化其质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的能量守恒方程E=mc²，该方程表明，质量和能量是等价的，其比例常数为光速的平方。

核能是原子核结构发生变化而释放出的能量。目前，人类利用核能主要有三种，它们分别为核裂变能、核聚变能和核衰变能。

核裂变，又称核分裂，是指由较重的原子，主要指铀或钚，分裂成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应形式。重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其他的重核原子，从而形成链式反应而自发分裂。原子核裂变时除发出的中子还放出热，核电厂正是利用这些释放热来发电的。

由于每次的核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变的原子数目成几何级数增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。原子弹便是应用了核裂变的这种特性研制而成。

由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素——氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出大量能量的反应叫核聚变反应。核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温度，实现对聚变反应的控制；另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计；第二种方式已接近突破的边缘。

核衰变是原子核自发射出某种粒子而变成另一种核的过程，它亦是认识原子核的重要途径之一。一般来说，放射性核衰变有三种类型，即α衰变、β衰变、γ衰变。

（1）α衰变

放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的核电荷数比母核减少2，质量数比母核减少4。 α粒子的特点是电离能力强、射程短、穿透能力较弱。

（2）β衰变

β衰变又分为β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。

β-衰变是放射出β-粒子的衰变，一般来说，中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这个过程可以看作母核中的一个中子转为质子的过程。

β+衰变是放射出β+粒子（正电子）的衰变。一般来说，中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这个过程可以看作母核中的一个质子转为中子的过程。

轨道电子俘获是指原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K最靠近原子核，所有K俘获最易发生。在K俘获发生时，必须外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有粒子特征的X射线。这一能量也可能传递给更外层的电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。

（3）γ衰变和内变换

γ衰变是指处于激发状态的原子核，通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。

有时处于激发状态下的核可以不辐射γ射线回到基态或较低能态，而是将能力直接传递给一个核外电子（主要是K层电子）使该电子电离出去。这种现象叫内变换，所放出的电子称为内变换电子。

随着经济高速发展，能源消耗量越来越大，全球化石能源日益枯竭，寻找一种代替化石能源又不影响人类生存环境的能源是各国多年来努力目标。在新能源中水能、太阳能、风能、地热能等已被人类利用，但这些能源不是储备量太少就是属于间歇能源，只有核能具备潜力巨大、能力规模、全天候为人类长期提供所需的能源的能力。