鸳鸯锅底的配方:核裂变和核聚变

核裂变和核聚变
　　核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。
    比原子弹威力更大的核武器是氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。
谈谈核裂变能与核聚变能
    据最近报道，位于英国牛津郡卡勒姆的、联合欧洲环形核聚变试验装置的科学家们，首次成功地进行了受控核聚变反应试验，从而使他们在探索核聚变能的竞争中，超过了美国和日本而居于世界领先地位。这次实验是在一个环形受控核聚变反应堆里进行的，持续时间只有2分钟，温度达到了3亿摄氏度，比太阳内部温度还要高20倍。该环形装置重达3500吨，是目前世界上最大的受控核聚变实验装置。那末，什么叫做受控核聚变与核聚变能呢？它们对未来世界能源研究与开发利用有何重要意义呢？
    为了回答这些问题，需要从核能（原子能）谈起。大家知道，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统称为核子。核子结合成原子核时释放的能量，或者原子核分解为核子时吸收的能量，称为原子核结合能。原子核结合能与组成该原子核的核子数之比，称为原子核核子的平均结合能。这就是一般所说的核能（原子能）。质量数较小的轻核（如氘、氚）和质量数较大的重核（如铀），其核子平均结合能均较小；质量数中等的原子核，其核子平均结合能较大，而且质量数为50%～60%的原子核，其核子平均结合能最大。这一规律称为原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律。
    核能存在与原子核内部，只有使它释放出来才能被人类所利用。怎样才能使核能释放出来呢？原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律，是核能能够被释放出来的理论依据。由于质量数中等的原子核核子平均结合能较大，因而无论将重核分裂成质量数中等的原子核，还是将轻核聚合成质量数中等的原子核，都能够使核能释放出来。所以，核能释放有以下两种途径：重核的裂变和轻核的聚变。
    第一种途径是重核的裂变。将重核分裂成质量数中等的原子核，称为重核的裂变，又叫做核裂变。核裂变是1938年由德国科学家哈恩和斯特拉斯曼发现的。他们用中子轰击铀原子核，导致了铀原子核的裂变。可见，快速中子的轰击是实现核裂变的条件。在重核裂变时，放出新的中子，新中子又引起其它重核裂变。这种不断进行的核裂变反应，称为链式反应。重核材料（如含铀的同位素铀238和铀235的材料）能够产生核裂变链式反应的最小体积，称为重核材料的临界体积。重核材料的体积一旦超过其临界体积，核裂变链式反应就迅速进行，同时在极短的时间内释放出巨大的能量，引起猛烈的爆炸。重核在核裂变反应过程中释放出的巨大能量，称为核裂变能。例如，1克铀235完全裂变所释放的核裂变能，相当于2.4吨煤完全燃烧所释放的化学能。
    第二种途径是轻核的聚变。将轻核聚合成质量数中等的原子核，称为轻核的聚变，又叫做核聚变。从50年代初起，人们就已开始探索通过将两个轻核聚合成一个质量数中等的原子核的途径，以获取巨大能量的可能性。核聚变分为高温条件下的热核聚变和室温条件下的室温核聚变（冷核聚变）两种。由于轻核的核子平均结合能很小，因而核聚变反应释放的能量比核裂变反应更加巨大，引起的爆炸也更加猛烈。轻核在核聚变反应过程中释放的更加巨大的能量，称为核聚变能。核聚变技术是一种高新技术。核聚变能被认为是未来世界最理想的革命性新能源。核聚变研究是当代能源研究的重大攻关课题。
    等离子体或几百万、几千万甚至上亿摄氏度的温度，是热核聚变的条件。等离子体是由正离子和游离电子组成的物体，是物质的高温电离状态；不带电，导电性极强；当强电流通过时，由于电磁作用会发生剧烈收缩，而产生几百万摄氏度以上的高温。在太阳等大多数星体上都存在等离子体。
    现在的问题是，人类是怎样开发利用核裂变能和核聚变能的呢？按发生情况，核裂变和核聚变都可分为天然的和人工的两种。在太阳等天体上天然进行的核裂变和核聚变，属于天然的核裂变和核聚变。由人工实现的核裂变和核聚变，属于人工的核裂变和核聚变。按其反应是否受人工控制，人工的核裂变和核聚变，都可分为不受控的和受控的两种。人类要和平利用核裂变能和核聚变能，必须实现受控的核裂变和核聚变。
    人类最早开发利用的核能是核裂变能。其中，原子弹爆炸是不受控核裂变的典型实例。原子弹实际上是一种不受控核裂变装置，它是根据核裂变链式反应原理制造的。制造时，将两块稍小于其临界体积的重核材料分开放在原子弹里。使用时，在引爆装置作用下，将两块重核材料压迫在一起，以造成重核材料体积超过其临界体积的条件，从而释放巨大能量，引起原子弹猛烈爆炸。
    核裂变反应堆或利用核裂变反应堆产生的核裂变能发电的核电站的运行，则是受控核裂变的典型实例。核裂变反应堆实际上是一种受控核裂变装置。控制重核材料的数量、控制中子的速度和控制中子的数量，都是控制核裂变链式反应速度的途径。在工艺上，将重核材料铀制成棒状，周围放上石墨之类的中子减速剂和能够吸收中子的镉棒（控制棒）。调节铀棒和控制棒插入反应堆的深度，都可以达到控制核裂变链式反应速度的目的，从而使核裂变能按照人们的需要平缓地释放出来，以便安全地加以利用。
    核裂变反应堆有普通热中子核反应堆（如压水堆）和快中子增殖核反应堆两种。它们的根本区别在于，前者用天然铀235作燃料，后者用铀238和铀的裂变产物钚作燃料。目前，世界上的核电站，基本上都属于普通热中子核反应堆类型。但是，铀235的储量只占天然铀储量的0.7%，目前世界上铀235的储量只够用几十年；而铀238和铀的裂变产物钚的储量占天然铀储量的99%以上。因此，快堆技术能使铀矿资源利用率提高50多倍。考虑到石油和铀矿在世界范围内可能出现短缺的前景，发展快堆核电站无疑具有极大的吸引力。
    在核聚变能的开发利用中，氢弹爆炸是不受控热核聚变的典型实例。氢弹实际上是一种不受控热核聚变装置。它是根据核聚变原理制造的。制造时，将一颗小原子弹放在氢弹里。使用时，将氢弹内的小原子弹引爆，以产生几百万摄氏度的高温，使轻核材料氘、氚的热核聚变反应剧烈进行，从而释放出更加巨大的能量，引起氢弹更加猛烈地爆炸。氢弹的氘-氚热核聚变反应常用氘化锂－6和氢化锂－6作为固体原料。这种热核聚变反应以瞬间爆炸的形式出现。氘化锂－6就是氢弹爆炸的炸药。1公斤氘化锂－6的爆炸力，相当于5万吨三硝基甲苯的爆炸力。
    受控热核聚变的研究已获得了初步的成果。这主要表现在受控热核聚变反应堆的出现。这种反应堆用氘和锂作为燃料，将金属锂或锂的化合物放在反应堆堆芯的周围，由堆芯热核聚变产生强中子流，撞击锂－7原子，产生一个氚、一个氦－4和一个中子；这个中子再与锂－6进行热核聚变反应，产生一个氚和一个氦－4，并释放出巨大的核聚变能，经热交换产生电力，而氚重新进入堆芯；这样往复循环便产生了强大的电流。在这种反应过程中，释放出的惰性气体氦对环境没有污染。同时，1公斤锂所具有的能量大约相当于4000吨原煤的热量。每年生产70亿度电，仅需消耗1.6吨重水（322公斤氘）和8.5吨天然锂（676公斤锂－6）。由于燃料消耗少，因而热核聚变反应堆发电燃料费用还不到总成本的10%。而且，锂－6聚变产生的能量比铀235 裂变产生的能量要大好几倍。因此，核聚变能是比核裂变能更加优越的一种新能源。
    受控热核聚变研究的关键或主要困难，在于实现热核聚变反应的条件。只要把1亿摄氏度高温的等离子体约束1秒钟左右，热核聚变反应就能开始并自行持续下去。如何在人工控制下约束这漫长的1秒钟呢？世界各国正在沿此途径加紧研究。此外，热核聚变实验，不仅需要几千万摄氏度的高温，而且还需要能耐极高温度和极高压力的装置。因此，要实现受控热核聚变是极其困难的。
    我国最大的热核聚变实验装置“中国环流器一号”，正式安全运行六年来所获得的一系列物理实验成果，已达到了同类环流器实验装置等离子体物理品质参数的国际水平。例如，等离子体平均密度、等离子体温度、电子温度、平顶段时间等，均已达到或接近国际水平；尤其是等离子体存在时间已居世界领先地位。
    环流器（又叫做托卡马克）是受控热核聚变研究的主要装置。它为受控热核聚变物理实验研究提供了条件。当给环流器通电时，就会产生热核聚变所必需的等离子体。对等离子体行为的研究，称为环流器物理实验研究。其研究内容包括高温等离子体的获得、高压力等离子体的约束性和稳定性、容器与等离子体相互作用所产生的表面物理现象等诸多前沿物理课题。其研究意义在于，它能揭示诸多物理问题的本质，从而提高等离子体的性能指标（等离子体物理品质参数），使人们有可能设计出高效、经济、安全的热核聚变反应堆。
    1989 年3月23日，英国教授弗莱希曼和美国教授庞斯宣布，实现了室温核聚变。他们这次试验应用了电化学技术，方法极其简单。具体做法是，在15厘米高的试管理，装满含有氢的同位素氘的重水（氘和氧的化合物），温度为27℃；试管外部绝缘，里面放置铂阳极和钯阴极；然后在两个电极之间通上电流。他们惊奇地发现，氘在电流作用下释放出大量的热，其释放能量为输入能量的4倍，同时发现氚和中子数量增加。这一实验成功的宣布，既引起了全球强烈的反响，也引起了一场温室核聚变是真是假的世界性争论。这是因为，他们对其所进行的实验还不能从理论上解释清楚；有些重复实验尚未获得成功；不少科学家还有怀疑。但是，科学家们认为，这一发现可能改变未来世界能源供应的前景，可能成为本世纪人类最伟大的科学成就。这是因为，同核裂变能等能源相比，核聚变能具有以下突出的优点，是一种巨大、高效、来源丰富、干净、安全、经济的新能源。
    1、能量巨大、来源丰富
    核聚变反应释放出的能量比核裂变反应更加巨大。核聚变反应所用的轻核材料氘在海水中大量存在。从1立方米海水中可获得的能量，相当于从10吨煤中所获得的能量。热核聚变反应堆的应用，可以利用从海水中提取的蕴藏量极其丰富的氘作为燃料，使地球上浩瀚的海洋成为人类取之不尽、用之不完的能量宝库。因此，核聚变能的开发利用有可能根本改变未来世界的能源前景，而核裂变能的开发利用则不大可能做到这一点。有的科学家认为，在没有出现小型核聚变这种奇迹的情况下，核能将无法对世界能源做出重大贡献。1989年，全球417座核电站生产的电力，在全球能源消耗总量中只占大约5.4%。
    2、干净、无污染
    核聚变反应不会产生放射性核废物，也不会产生烟尘、酸雨和温室效应。这对于保护生态环境十分有利。
    3、安全可靠
    在核聚变反应过程中，若有任何东西出了问题，则核聚变反应就会自动停止。有些专家认为，现存的核裂变技术所包含的引起严重核事故的风险太大。核聚变反应不存在这种风险。
    4、廉价经济
    利用核聚变能发电燃料消耗少，能源利用率高。温室核聚变不需要巨额投资和复杂仪器。另外，人们新近估计，清理美国军事核（裂变）垃圾，可能要花2000亿美元。核聚变能的开发利用，不需要花这种大笔的经费。
    当然，即使受控核聚变成功，也还不可能马上付诸实际的开发利用。专家们预计，大规模开发利用核聚变能工程建设的成功，可能在二、三十年或三、四十年之后才能实现。
    一段复杂的核裂变和核聚变。核能是能源家族的新成员，它包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了150亿年。氘在地球的海水中藏量丰富，多达40万亿吨，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。也就是说，聚变堆是次临界堆，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故，它是安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是为什么世界各国，尤其是发达国家不遗余力，竞相研究、开发聚变能的原因所在。 其实，人类已经实现了氘氚核聚变？？氢弹暴炸，但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，人类需要的是实现受控核聚变，以解决能源危机。聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难，真正建造商用聚变堆要等到21世纪中叶。作为21世纪理想的换代新能源，核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区有特别重要的战略意义。 受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。 受控热核聚变能研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-supra体积是HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5x10的19次方，放电时间是热能约束时间的数百倍。 重水是什么？ 水在电流的作用下，能分解成氢气和氧气。但是在电解水的过程中，有一个奇怪的现象，就是电解到最后，总剩下少量的水，无论怎样都不能再分解了。直到1932年，美国物理学家尤雷用光谱分析发现了重氢，人们才搞清楚，这难以电解的水，原来是由重氢和氧组成的。 普通的氢原子也叫氕，它的原子核就含一个质子，无中子，相对原子质量为1。氕与氧结合，成为普通的水，它的相对分子质量为18。重氢又叫氘，这个字在希腊语里是“第二”的意思。氘的原子核比普通的氢原子核多一个中子，故相对原子质量为2。氘与氧的化合物也是水，不过它的相对分子质量为20，比普通水重百分之十，所以叫重水。 为什么有那么多国家的科学家这样重视重水呢?因为重水有一个重要的特性，它在原子核反应堆里能降低中子的速度，又几乎不吸收中子，是最好的中子减速剂。只有经过减速以后的中子，才能有效地使铀235发生裂变，促使核裂变反应能够不断地进行。当时，有些国家在设法制造原子弹，没有中子减速剂就不能进行原子裂变的试验。 可是，制取重水又非常困难，因为它在水中的含量只占万分之一点五，平均大约每七吨水里，才有一千克的重水。要是采用电解的方法制取这一千克重水，就得消耗六万度的电，比熔炼一吨铝还大三倍。难怪重水这么宝贵，价值千金！ 虽然重水总混杂在普通的水中，它们像一对孪生兄弟，很难分开，可是彼此的性质却又相差很远。 比如：普通水是0℃结冰，重水在3．82℃时变成冰；普通水在100℃沸腾，而重水的沸点是101．42℃。利用它们的沸点不同的特性，我们也可以用反复蒸馏的方法来制取重水。 在重水里，物质的溶解度比在普通水里小得多，许多化学反应的速度也要慢得多。声音在重水里的传播速度也比在普通水里要慢一些。 还有一段简单的： 简单的说根据爱因斯坦的E=MC2可以知道，质量的亏损能产生巨大的能量。于是有了核裂变和核聚变，其中核裂变就是原子核在中子的轰击下产生裂变并分裂出另外的原子和中子，产生的物质的质量小于原物质的质量，就是转换成了能量。核聚变则是两个原子核聚合在一起，转换成另一个原子核，并产生质量亏损，亏损的质量就产生了巨大的能量。