高中物理第4章核能第4节核能的利用与环境保护原子能在交通上的应用素材鲁科版选修.docx

原子能在交通上的应用西游记中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。 利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。 （一）航海 汽核潜艇我们对它早就不陌生。美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充 图9-2 核潜艇 分燃烧才行。所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。 除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。最近日本下水一艘商船，一次装料可绕地球运行七圈半。这样在缩短航行时间，降低运输成本方面变得特别有利。 筥 （二）航空 核反应堆在航空上应用将会有它独特的优点。航空上对飞行器的发动机要求特别高，它要求发动机发出的总功率与发动机自身重量之比越大越好，对燃料则要求每公斤燃料所提供的推力也越大越好。核燃料既然是新的高密度能量物质，所以它在航空上使用可以更显示出优越性。目前正在研究制造原子飞机，其基本原理，无论是冲压式、涡轮式或者涡轮螺 图9-3 核动力航空母舰 旋桨式喷气发动机，主要都是以原子反应堆代替原来这些飞机的动力装置。如冲压式核动力发动机就是从前方吸入冷空气，迅速通过原子反应堆加热成高温气体，通过热空气膨胀室从尾部喷气口高速喷出，推动飞机向前飞去。 图9-4 原子能飞机 因为1克铀235产生的功率与2吨汽油燃烧产生的功率相当，所以初步估计，从上海直飞西欧一些国家，单程只需消耗几十克的核燃料。当然，如何确保飞行万无一失、安全可靠，如何避免在起飞与着落时极微量的放射性空气污染，以及核动力发动机的辐射屏蔽等问题，还需做出很大努力。 （三）陆上交通 火车：原子火车早在五十年代就已经着手研制。显然， 图9-5 原子能火车 一旦制造成功投入运行，据估计，如果发动机功率是八千马力，则行驶一千公里只要十五克重的核燃料。这样牵引力大，又不冒烟，比较干净，长期运行不必添加燃料，因此，原子能火车是未来理想的交通工具。 汽车：可以这样设想，用一部超小型的原子反应堆加一个蒸汽机或者汽轮机代替汽车发动机。这样，除了经常补充些水之外，几乎可以在汽车出厂时装进十几克铀235核燃料就能行驶十几万公里，直到大修时再换个燃料。原子汽车排出的仅是水蒸汽，所以不会造成大气污染。这里遇到的关键问题是设计链式反应临界质量仅仅是十几克的裂变反应堆。 由于超小型化核武器技术进展，目前临界质量工艺设计已经达到几克数量级水平了。如果对链式反应中伴随产生射线的防护问题能够用新的办法，用较轻、较少物质进行屏蔽，那末，原子汽车在未来也将是一种理想的交通工具。 （四）航天 人造卫星的发射，在军事上，经济上和科学研究上都有很大的意义，而原子反应堆在燃烧时不需氧气，所以更加适宜于在宇宙空间运行。曾经设计过的原子航天火箭，它的第一级、第二级火箭是采用普通液体或固体燃料的发动机，把火箭送入高空，第三级主发动机是用原子反应堆作发动机，而最后重返大气层时可以使用普通燃料的发动机。由于核燃料能量的高度集中，原子火箭的航程非常之大，可以在