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Lv 6
? 發問時間: 科學其他:科學 · 2 0 年前

原子彈怎麼做

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引爆火藥

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    2 0 年前
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    你要做壞事情吼= =|||核能簡史近代科學雖然在450年前就萌芽,但是人類直到100年前,對原子的結構,仍然一無所知。但是在最近的100年中,近代的物理和化學的進展驚人。1896年,貝克發現鈾可以不可見的射線,不斷的放出能量;1899年,湯姆生證實陰極射線其實就是帶負電的電子;1905年,愛恩斯坦提出相對論及質能轉換公式E=mc2; 1912年,拉賽福從散射實驗中,推斷原子的質量集中在很小很小的核心,原子幾乎是空心的;1914年,拉賽福宣告原子核內帶正電的粒子,就是氫離子(後來命名為質子);1920年,科學家為了解釋原子核的結構,推測原子核內應該有質量和質子相當的中性粒子;1932年,查德維克發現中子;1938年,德國的Otto Hahn 及Fritz Strassmann用中子撞擊鈾,發現產生鋇。1939年,Lise Meitner及Otto Frisch提出核分裂反應的理論,而費米則推測鈾核分裂的同時,會有二、三個中子釋放出來,費米的推測馬上就被幾個實驗室證實;1939年,愛恩斯坦寫信給美國總統羅斯福,促請進行原子彈的研究;1944年,費米驗證人類可以控制連鎖反應;1945年,歐本海納領導完成了原子彈的製造和引爆;1954年,蘇聯建造了世界上第一座核能電廠;緊接著,1956年,英國及法國也開始運轉核能電廠;1957年,美國;1961年,德國;1962年,加拿大、比利時;1963年,義大利、日本……;1977年,中華民國、韓國……。到今年,全世界約有32個國家的480座商用核子反應爐運轉,提供人類電力需求的百分之十七。這一切真是太快了。這一切是怎麼發生的呢?和傳統的能源比較,核能有什麼特性?核能的展望又是如何呢?那個巨大的能量原子的探索1896年,貝克發現鈾可以不可見的射線不斷的放出能量,這是人類第一次發現放射線。很快的,各地的科學家也發現釷、釙、鐳等物質也會放出射線。1898年,居禮夫人把這種物質自行放出射線的現象,稱為放射性。之後,在1899年至1903年間,拉賽福利用電場、磁場、游離等實驗,發現鈾及其它原子所放射的射線,是高能量的帶電粒子--它們是α、β射線。愛恩斯坦的質能觀1887年,兩位美國物理學家Michelson及Morley以他們發明的精密儀器,測量發現地球繞太陽運動,並不影響光的速度。1905年,分析Michelson及Morley的測量程序,以他獨特的思維和複雜的數學,提出特別相對論。特別相對論的思維和複雜的數學非常「特別」,據說愛恩斯坦曾說過世界上只有大約只有十個人懂得他說的東西,不過愛恩斯坦不承認他說過那樣的話。特別相對論提出兩項假設,第一是:以等速相對運動時,各觀察者的物理定律都有相同的公式;第二是:光的速度恆定。特別相對論推論:質量和能量相關,質量也是能量的一種型式,質量和能量可以依E=mc2公式轉換。依這個公式:微小的質量一旦消滅,可以產生極為巨大的能量;一克的物質消滅,所產生的能量可以讓一顆100瓦的燈泡點亮三萬年。但是當時,包括愛恩斯坦本人,沒有人知道怎麼讓質量轉換為能量。追尋中子發現是α、β射線後,拉賽福即利用這些高能量的帶電粒子進行散射實驗,並從散射的結果和粒子的動能、動量的計算,在1911年推斷原子有個佔盡質量,帶正電的核心,並在1914年,進一步宣告:原子核內帶正電的最小粒子,就和氫的原子核一樣。後來這個組成原子和的帶正電粒子,被命名為proton—質子。大約在1914年,科學家也開始利用天然放射粒子α,嘗試將較輕的核子撞破。較輕的核子帶較少的正電,α粒子有機會在還沒被排斥掉之前,撞擊到核子。1919年,拉賽福就利用這個方法,把氮轉變為氧,證明核子可以轉換,但是科學家仍然無法讓核子分裂。要把較重的核子撞破,需要不會被核子排斥的粒子。1920年,伴隨著原子結構的探索,科學家確定原子核所帶的正電荷數目,與該原子的原子序相同。但是,如果原子核全部由質子組成,原子核的總質量又和測量的結果相差大約一倍。為了解釋這個結果,科學家不約而同的推測:原子核內應該含有質量和質子相當的中性粒子,他們給這個還在找尋中的粒子取名為neutron—中子。中子那麼的小,又是電中性,自然很難找尋。 1932年,英國科學家查德維克終於經由雲霧室的軌跡實驗,證實中子的存在。中子不帶電,不會被帶正電的原子核排斥,科學家利用它,把原子核當做靶子,又開始進行「轟炸」了。其中,義大利物理學家費米特別重視中子的利用。費米在往後的幾年間,利用鐳和鈹混和所產生的中子,成功的完成了60種以上的元素的原子核轉換。同一時間,費米等人也發現低能量的中子反而比高能量的中子更能促成核子轉換。核子鏈鎖反應1938年,德國的Otto Hahn 及Fritz Strassmann用中子撞擊鈾,並從靶子的分析中,發現了鋇。1939年,奧地利的Lise Meitner及Otto Frisch證實了Otto Hahn 及Fritz Strassmann的實驗,實際上是鈾的核分裂。他們發現遭到中子的撞擊,鈾核可以分裂成質量大約相等的兩個核子,鋇以及氡,同時還會放出2個中子。不但如此,經過計算,兩個核子以及2個中子的質量總和,比一個鈾核子和一個中子的質量輕,依E=mc2公式,這個過程會釋放能量。科學家很快的推論:如果讓核分裂產生的中子再去撞擊鈾核而產生鏈鎖反應,那麼,按照E=mc2質能轉換公式,核分裂會釋放出以前人類所無法想像的巨大能量!核子連鎖反應的發現叫很多人寢食難安。首先發現核分裂的是德國科學家,如果納粹利用核分裂製成原子彈,那大戰還有什麼好打?。1939年8月,愛恩斯坦致函美國總統羅斯福,促請進行原子彈的研究,並警告德國可能展開原子彈的工作了。1939年9月,第二次世界大戰在歐洲爆發了。一開始,美國並未參戰,對原子彈的研究並不是非常積極。1941年,日本偷襲珍珠港後,美國宣布參戰,而情報也顯示,德國在海參堡的主持下所進行原子彈的研究,已經有相當的進展,羅斯福總統終於下達總動員令,以製造原子彈為目標,成立了最高機密的曼哈頓計畫。曼哈頓計畫曼哈頓計畫是由義大利逃往美國的著名科學家費米主持,計畫中也網羅了歐洲的Szilard,Eugene Wigner,加拿大的Zinn及美國的安德森等科學界的一時之選。1942年,費米等人在芝加哥大學運動場看台下的室內球場,利用高純度的鈾和石墨,堆成了所謂的芝加哥反應堆。反應堆內的石墨,可以讓核分裂所產生的高速中子,經過碰撞而降低速度,提高下一波核分裂反應的機率。費米等人以鐳和鈹混和所產生的中子為中子源,並以吸收中子能力極高的鎘片做控制,成功的引發核子鏈鎖反應。隨著反應堆的逐步堆高,鏈鎖反應也越來越強。1944年12月,在最後的一層材料堆砌完成後,費米指揮工作人員逐步將鎘片抽出反應堆,成功的達成持續的核子鏈鎖反應。芝加哥反應堆的成功,固然直接導致原子彈的製造,卻也顯示人類有機會從核子鏈鎖反應取得巨量的能源。芝加哥反應堆固然證實原子彈的理論,但是製造原子彈卻絕非易事。芝加哥反應堆利用石墨,讓核分裂所產生的高速中子,經過碰撞而減速。中子的速度愈低,引發核分裂的機率愈大。但是原子彈必須在極短的時間內,讓核子鏈鎖反應快速的進行。讓核分裂所產生的高速中子,經過碰撞減速後再誘發核分裂,實在緩不濟急。因為能量不夠集中,就產生不了什麼破壞性。如果要讓中子不經過減速而誘發足夠的核分裂,就必須提高分裂材料的純度,來彌補中子速度太快而降低的核分裂機率。可以產生持續核子鏈鎖反應的分裂材料只有鈾-235和鈽-239,要製造原子彈,純度需達99%以上。天然鈾中僅含有0.7%的鈾-235,其餘99.3%是鈾-238。鈾-235和鈾-238是同位素,化學性質完全相同,要把鈾-235從天然鈾中分離出來,亦即,要濃縮鈾-235,只能靠物理的方法。鈽-239則是鈾-238吸收一個中子以後,經過衰變而得,要生產鈽,就必須建造規模比芝加哥堆更大的核反應器。芝加哥反應堆由費米主持,原子彈的製造則由歐本海納領軍,在美國新墨西哥州沙漠中的小鎮—Los Alamos,召集空前的陣容秘密進行。在二次大戰中,為了取得足夠的核分裂材料,美國在田納西州的橡樹嶺建造了規模龐大的氣體擴散工廠,把鈾和氟化合成氣體,利用鈾-235和鈾-238質量有微小差異,穿過薄膜的速度有微小的性質,經過大約4000個串級的薄膜,把縮鈾-235的濃度提高到99%以上。除了利用氣體擴散的技術進行縮鈾-235的濃度之外,美國也在橡樹嶺建造大型的電磁系統,利用鈾-235和鈾-238質量有微小差異,游離穿過電磁場的轉彎曲度微有不同的性質,分離鈾-235和鈾-238。至於另一種可以製造原子彈的材料--鈽-239,美國也在華盛頓州的Hanfort建造核反應器,利用和芝加哥反應堆核連鎖反應相同的原理,持續以產生的中子撞擊鈾-238,使其轉化而生產鈽-239。鈽-239是鈾-238吸收一個中子以後,經過衰變而得。鈽和鈾的化學性質完全不同,要把鈽-239從鈾-238中分離出來似乎比濃縮鈾-235簡單,事實卻不然。一方面鈽是劇毒物質,另一方面,從核反應器取出的鈾,含有鈾-235分裂成的數百種高放射性物質,要把鈽分離出來,即使是現在,也很不容易。這裡不厭其煩的交代原子彈材料的製造,是因為有些人誤以為核能電廠會像原子彈一樣爆炸。核能電廠使用的核燃料濃縮度很低(我國的核能電廠所用的鈾燃料濃縮度不超過5%),要像原子彈一樣爆炸是不可能的。巨大的火球為了趕在德國之前製造出原子彈,美國日夜趕工,終於在1945年製造出足夠的鈾-235和鈽-239,而新墨西哥州沙漠小鎮Los Alamos的科學家們也完成了必要的理論、計算以及原子彈的裝置,一切就待試驗了。雖然理論上可行,但是這個前所未有的裝置,是不是真的可以產生強烈的爆炸?或是根本不會爆炸?歐本海納雖然有相當的信心,但是事情難保不會有意外的結果。1945年7月16日,科學家及工程人員聚集在新墨西哥州的隔壁州—內華達州,引爆了人類史上第一顆原子彈。巨大的火球轉變為蕈狀的雲團湧向天際,核分裂所產生的力量,果然石破天驚。核能的和平用途二次大戰後,有鑑於核能的無限潛能,各工業強國皆致力於核能和平用途之開發,經斟酌本身的工業條件後,各自發展其適用之商用核能發電反應器。二次世界大戰期間,美國為將鈾-238轉換成核彈所需之鈽-239以達軍事目的,以芝加哥反應堆為基礎,發展了石墨為緩和劑的反應器,但是美國後來的核能發展,是以輕水式反應器為主;英國則發展氣冷式石墨緩和劑反應器;加拿大致力於重水式反應器之發展;蘇俄為軍民兼用及經濟考量而發展獨特的水冷式石墨緩和劑反應器,它兼具商用發電及生產核武原料的雙重功能。雖然美國的核能技術最先進,但是世界上第一部用來發電的核反應器,卻是蘇俄於1954年在莫斯科附近建造完成的Obninsk APS,容量僅5 MWe的一部小型輕水冷卻石墨緩和式反應器(LWGR)。接著英國於1956年建造完成第一座氣冷式反應器(GCR)Calder Hall 1號機。1957年美國西屋公司也利用核子潛艇的反應器技術,在賓州的 ShippingPort 興建完成第一座容量為60 MWe的商用壓水式反應器(PWR)核能電廠。1960年,由美國奇異公司設計的第一座容量184MWe沸水式反應器(BWR)在伊利諾州的 Dresden 核電廠開始運轉發電。1962年,第一座重水式反應器(PHWR)在加拿大誕生。其後,美國燃燒工程公司(CE)及巴克(B&W)公司亦分別發展出其獨特的壓水式反應器(PWR)。從此人類進入了商業化核能發電的新紀元,世界各國積極地研發核能相關技術,進行大規模的合作事宜。法國、日本、西德、瑞典等國亦經由西屋公司及奇異公司的技術轉移而建立了本身的輕水式反應器工業。輕水式商用核能電廠的容量亦自第一部的 60MWe 級順利發展到300MWe、600MWe、900MWe及至今日的1000MWe、1300MWe、乃至1450MWe級。係日東昇早期核能的展望和成功,使得1970年代的核能電廠興建有如雨後春筍。單就美國,1971年就有41座核能電廠申請興建。1974年,有鑑於核能電廠的數目漸多,美國原子能委員會委託MIT的Rassmussen教授進行核能電廠的安全研究。Rassmussen以機率性風險評估的方法研究的結果,認為核能電廠的安全程度,大約是當時最安全的工業的十倍。Rassmussen並評估指出:壓水式核能電廠的小管路破裂,因為需要運轉人員處理,而處理可能會出錯,所以其風險反較大管路破裂來得高。烏雲蔽日1979年,美國賓州三哩島核能電廠發生了嚴重核能事故,雖然民眾並未受到輻射外釋的威脅,但是電廠的爐心卻已熔損。事情的起因是電廠的工程人員在操作設備時,不慎造成跳機。跳機後電廠釋壓閥因瞬間高壓力開啟後,卡在開啟的位置而沒有關閉回去,結果反應爐冷卻水從卡住的閥門流失,因為機組壓力下降。但是電廠運轉人員並沒有察覺冷卻水流失,反而在機組壓力下降時,錯誤判斷以為反應爐仍然充滿冷卻水,而將已經自動啟動補水的安全注水系統關閉。結果造成反應爐因為冷卻不足而熔損。這個事件雖然對於民眾的健康並無任何影響,但是對於核能工業的打擊卻非常嚴重。危機意識核能電廠的安全管理策略,是以「避免」(Prevention),「保護」(Protection),和「減緩」(Mitigation)所構成的「深度防禦」(Defense-in-Depth),確保民眾的健康不因核能電廠的運轉而受到威脅。「避免」就是從設計、建造、訓練、管制等方面,避免事故的發生;「保護」就是在電廠運轉一有異常時,以跳機、隔離等方式保護多重屏蔽的完整;「減緩」就是在事故不幸發生時,以安全設備和緊急操作,減緩事故對民眾的影響。1979年美國三哩島核能電廠事故以前,絕大多數核能從業人員由衷相信「深度防禦」可以確保核能安全,即使人員或設備有什麼差錯,完美的系統也能兵來將擋。但三哩島事故揭露了核能電廠的法規,設計,設備,維護,運轉,訓練,程序書等等深度防禦的每一環節都可能有缺陷,而深度防禦的交叉掩護,又恰好隱藏這些缺陷。雪上加霜三哩島事故後,美國核能界痛定思痛,在核能電廠的硬體和軟體方面做了不少改善。不過由於缺乏危機意識,以為錢隨便花都可以回收,結果成本墊高,反而超越燃煤電廠逐年下降的成本,而造成了另一層攸關生存的危機,甚至有七個核能電廠承受不了競爭壓力而提前關閉。所幸,美國核能界以「Risk-informed, Performance-based」為主軸,持續強化安全、降低成本。在強烈的危機意識中,美國核能工業界持續努力,終於渡過危機,並開始回頭向燃煤電廠挑戰。不幸,1986年4月,就在美國核能電廠救亡圖存的階段,蘇聯車諾比爾核電廠又發生了核能工業史上最嚴重的事故。車諾比爾事故車諾比爾核能電廠是屬於水冷式石墨緩和劑反應器,它兼具商用發電及生產核武原料的雙重功能,但是在低功率運轉時,反應器很不穩定。車諾比爾事故是由於運轉人員為了執行特殊測試,先將機組降載到很不穩定的低功率運轉,再將保護反應器的安全系統停用,結果使反應器失去控制,反應器功率從5%左右,在1秒間衝到1000%,結果使冷卻水管內的水瞬間化為蒸氣而產生蒸氣爆炸,把廠房的水泥屋頂炸開,反應器的石墨也因為高溫而燃燒。石墨燃燒的熱氣帶著強烈的輻射,從掀開的屋頂往廠外擴散。車諾比爾事故直接造成31人死亡,至於輻射擴散所造成的長期效應,眾說紛紜,死亡人數,從200人到10000人都有人估計。柳暗花明車諾比爾事故對民眾的影響雖然比三哩島事故來得嚴重性,但是對西方陣營的核能工業,打擊卻不像三哩島事故那麼大。一方面是因為車諾比爾核能電廠的水冷式石墨緩和劑反應器在低功率運轉很不安全,美國根本不允許建造,另一方面則是因為三哩島事故後,西方陣營的核能電廠已經採取了相當多的措施,這些措施已經可以有效的防範事故的發生,不必因為車諾比爾事故再採取另外的措施。 直至1979年3月美國三哩島核電廠事故與1986年4月前蘇聯車諾比爾核電廠事故發生後,反核勢力方在全球逐漸蔓延開來,使得核能發展受到相當程度的影響。不過到1980年代末期,火力電廠對環境及全球氣候的不良影響逐漸受到關切,且全球石化資源蘊藏量也有即將用罄之虞,因此已開發國家如美、法、英、日等在力求增進核能安全的努力下,仍堅持繼續發展核能發電。其他如中國大陸、韓國、印度、俄羅斯等也致力於發展核電,以維持經濟成長。一般說來,目前凡是缺乏能源且工業化較高的國家,其核能發電比重也較高。從整個核能發電成長的趨勢看來,1970年至1990年前後廿年是核能成長的黃金年代,三哩島事故後,核能電廠數量雖有暫時的頓挫,卻仍在繼續成長,使全世界核能機組總數從三哩島事故發生時(1979年)之250部,增加至1994年12月底止之432部。1990年以後,主要核能發電國家之電力需求已呈現飽和狀況,其核能發展乃趨於緩和甚或停止;而經濟仍穩定成長的亞洲地區及東歐地區,則仍大力興建中。以上是世界核能發展在量方面的變化情形,但更值得注意的是核能界在質方面的改進,由於三哩島與車諾比爾事故,世界各國,包括前蘇聯集團在內的核能界,均產生了同舟共濟的精神,核能界一面逐項加強現有核電廠之安全設計,同時著手整體性電廠安全設計的改善,大家並在研究發展上互相合作切磋,力求能在核反應器的設計及運轉上增進其安全度。在機組的運轉方面,核能界除加強自動化外,更注意經驗教訓的累積交換,以及加強預防性的維護工作。過去幾年,世界核電廠運轉之穩定性已大幅提昇,其跳機次數已由平均的每機組每年四、五次,降低到每年一、二次,日本更降到一次以下。機組使用率亦由平均七○%左右,提高到平均八○%以上,而且各廠員工因維修而受到的輻射劑量也減低了約三分之一。其主要原因,應歸功於電力公司、製造商、管制單位等的密切合作,資訊交流的暢通,以及核能從業人員的高度敬業精神。此外在全世界核能製造商、電力公司及管制單位之努力下,新一代改良型的壓水式及沸水式反應器( ALWR )已經推出,在控制室的設計上增加了很多自動化、電腦化的預警偵測與保護的設備,並針對人機界面做了大幅改善,另外在材料選用及功能設計上亦有很多改進。由此可見,世界核能工業在過去十餘年的發奮圖強,不論質與量均有相當增進,其蓬勃精神,絕非反核人士所形容的「夕陽工業」。根據統計資料顯示1994年底止,全球30個核電國家中共有432部核能機組在運轉中,另外亦有48部正在興建中,全世界發電結構中核能大約占總發電量的百分之十七。而且有13個國家其1994年電力來源中有30%以上由核能供應,其中最高的前五位分別為立陶宛(76%)、法國(75%)、比利時(56%)、瑞典(51%)及斯洛伐克(49%)。上述建造中的48部機組係分由15個國家興建,能否順利完成,還是未知數,但是較肯定會按計畫完成的是法國、南韓及日本的機組。由這些統計數字看來,在現有30個核電國家中有半數(15個)國家仍繼續在建造新的核能機組,這個情況是否會在新核能電廠較其他電廠有更佳經濟優勢條件下而轉變還不得而知。由於在許多國家新的電廠無法興建,因此工業界只得轉向提升現有電廠效率,以謀求經濟利益。現有的科技顯示要維持一個電廠的設計發電量或甚至提高,都是可能的,所以各種元件設備到底要換新或繼續用,純然是個商業的決策而非技術的問題。另有鑑於地球上的鈾礦資源畢竟有限,目前世界各國除使用熱中子式之反應器發電外,美、法、英、日、德、俄等核能工業較先進國家,更進一步的研究發展出可以較經濟利用鈾燃料的快中子滋生式反應器(FBR),它可將熱中子反應器無法利用的鈾-238,利用高能量中子轉化滋生為鈽-239,可續作為核燃料,使鈾燃料的利用率提昇為輕水式反應器的60倍。唯目前最領先的快滋生反應器法國「超級鳳凰號」(Super Phonenix)電廠,除在技術上尚有部份地方待改進外,其經濟性與可靠性亦無法與輕水式核電廠相抗衡。未來計畫之 FBR 核能電廠更倡議將燃料儲存、再處理、製作與組合及廢料處理等集中於核能電廠內進行,以收便於經營與安全可靠的效益。至於核融合反應器,可利用取之不盡之海水提煉出燃料,且無放射性廢料產生,是最理想之能源,但目前尚在研究室實驗階段,要談商業化為時猶早。因此,熱中子反應器仍將是近期核能發電的主流。展望未來,地球溫室效應一定愈來愈嚴重,為能有效解決此項問題,世界各國必會協議採取限制二氧化碳排放量的措施,事實上1992年6月世界上153個國家所簽署的「氣候變化綱要公約」,就針對全球性溫室效應問題提出有關的管制與規範,宣示在公元2000年時將二氧化碳及其它溫室氣體排放量抑制在1990年的水準。在世界上還沒有找到新的乾淨替代能源以前,核能發電確為必要的發電方式,而世界開發中國家(包括亞洲各國)由於能源需求殷切,大力發展核電更是必然的趨勢。~~

  • 匿名使用者
    7 年前

    到下面的網址看看吧

    ▶▶http://qoozoo09260.pixnet.net/blog

  • 匿名使用者
    7 年前

    瞭解一次、多一次的保障。尋找八大行業工作。必須謹慎小心一點。

    小巴常說:保險跟冒險只差一個字,意義卻是大不同!

    一通電話、一次詢問。都是為自己的著想。

  • 1 0 年前

    種算全部看完了

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  • 2 0 年前

    就算你做好了你要炸誰ㄚ

  • 2 0 年前

    喔!好多喔!

  • 2 0 年前

    買到也不知道幹麻吧

  • 匿名使用者
    2 0 年前

    會賣這種東西的人也很難找到= =

  • 2 0 年前

    想買到鈾235恐怕是超級困難吧

  • 匿名使用者
    2 0 年前

    呵呵看到ㄉ發問偶很想笑ㄝ= =...好炫的題目

    2005-03-30 21:18:35 補充:

    呵呵看到ㄉ發問偶很想笑ㄝ= =...好炫的問題

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