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        駕馭“雙面勇士”,抒寫核能新篇

        2015-04-03 08:46:06江豐
        科學(xué)大眾(中學(xué)) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:核裂變于敏原子核

        江豐

        隱姓埋名30年的院士

        2015年1月9日上午,北京人民大會堂舉行了2014年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會。國家主席習(xí)近平為著名核物理學(xué)家、“兩彈一星”功勛、中國“氫彈之父”于敏院士頒發(fā)了2014年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。國家最高科學(xué)技術(shù)獎是我國最高級別的科技獎,此前僅有24位著名科學(xué)家獲此殊榮。

        于敏院士是一個神秘人物,他不僅是核物理學(xué)家,也是中國核武器研究和國防技術(shù)發(fā)展的杰出領(lǐng)軍人物之一,曾經(jīng)“隱身”30年之久,直到1988年他的名字才得以解禁。從原子彈試驗成功到第一顆氫彈爆炸成功,中國人只用了2年8個月時間,于敏院士正是創(chuàng)造這個奇跡的杰出代表之一。于敏院士在中國氫彈原理突破中解決了一系列基礎(chǔ)問題,提出了從原理到構(gòu)形的基本完整的設(shè)想,為中國核武器進(jìn)一步發(fā)展到國際先進(jìn)水平作出了重要貢獻(xiàn)。從20世紀(jì)70年代起,在倡導(dǎo)、推動若干高科技研究項目中,于敏院士也發(fā)揮了重要作用。

        于敏院士的獲獎,讓人們的目光再次聚焦到核物理研究領(lǐng)域上。

        究竟什么是核能?

        說起核能,我們首先想到的是它強大的破壞力。在人類歷史上,核武器的唯一一次使用是在二戰(zhàn)時期,美國在進(jìn)攻日本時對長崎與廣島投放了兩顆原子彈。兩座城市轉(zhuǎn)眼灰飛煙滅。與此同時,核能作為一種新型高效的清潔能源,又越來越為人們所重視。

        核能是20世紀(jì)人類的一項偉大發(fā)現(xiàn),它的準(zhǔn)備時期,可以追溯到19世紀(jì)末至20世紀(jì)初。19世紀(jì)末,英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。1898年,居里夫人發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙,她又通過艱苦努力,于1902年發(fā)現(xiàn)了另一種放射性元素鐳。1905年,著名科學(xué)家愛因斯坦在其相對論中指出:質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)換。他提出了質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc2(E為能量,m為轉(zhuǎn)換成能量的質(zhì)量,c為光速)。而核能就是通過原子核反應(yīng),由質(zhì)量轉(zhuǎn)換成的巨大能量。

        我們從中學(xué)的物理課和化學(xué)課中已經(jīng)學(xué)到物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的。原子由原子核以及圍繞原子核的電子構(gòu)成,原子核的內(nèi)部是一定數(shù)目的質(zhì)子和中子??茖W(xué)家們定義,不涉及到分子變化的過程叫做物理變化。分子變化,而原子不發(fā)生變化的過程叫做化學(xué)變化。在核能出現(xiàn)以前,人類利用的能源只涉及物理變化和化學(xué)變化。直到1942年12月2日,著名科學(xué)家恩里科·費米領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家,在美國芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆,才標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了核能時代。

        裂變與聚變

        核能分為核裂變能和核聚變能兩種。核裂變是當(dāng)一個重原子核在吸收了一個能量適當(dāng)?shù)闹凶雍笮纬梢粋€復(fù)合核,這個核由于內(nèi)部不穩(wěn)定而分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子核。核裂變釋放出的能量叫核裂變能。核聚變是兩個氫原子核結(jié)合在一起釋放能量的反應(yīng),主要包括氫的同位素氘(重氫)和氚(超重氫)的聚合反應(yīng)。核聚變釋放出的能量叫核聚變能。自然界中的大部分氘以重水的形式存在于海水中,1升海水中的氘通過核聚變釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放出的能量。核聚變又叫“熱核反應(yīng)”,受控的熱核反應(yīng)目前尚在研究當(dāng)中。2002年12月2日,我國建成了受控核聚變研究裝置——核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號。目前核聚變的實際應(yīng)用只是利用不可控的熱核反應(yīng),即制造氫彈,達(dá)到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的核能只有核裂變能。

        那么,讓我們來詳細(xì)描述一下核裂變的過程。一般一個鈾–235原子核在中子的轟擊下分裂成為幾個較輕的原子核,同時放出2~3個中子,并釋放巨大的能量,這個反應(yīng)過程稱為核裂變反應(yīng)。在一定的條件下,新產(chǎn)生的中子會繼續(xù)引起更多的鈾–235原子核裂變,這樣一代代傳下去,像鏈條一樣環(huán)環(huán)相扣,使核裂變反應(yīng)自持(自動連續(xù))地進(jìn)行下去,所以科學(xué)家將其命名為“自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”。這“一定的”條件有兩個,第一個條件是鈾要達(dá)到一定的質(zhì)量,這個質(zhì)量叫做“臨界質(zhì)量”;第二個條件是中子的能量,鈾–235原子核在慢速的“熱中子”作用下比較容易發(fā)生裂變反應(yīng)。

        鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)能釋放出巨大的核能,1千克鈾–235裂變釋放的能量,相當(dāng)于2 700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。目前,只有鈾–233、鈾–235和钚–239這三種核素在熱中子條件下容易發(fā)生核裂變,它們都是核燃料,其中只有鈾–235是天然存在的,它在天然鈾中的含量(叫做“豐度”)僅為0.7%,而鈾–233、钚–239是在反應(yīng)堆中人工生產(chǎn)出來的。

        為了對核反應(yīng)進(jìn)行控制,科學(xué)家們特別制造了核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆是通過受控的自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將核能緩慢地釋放出來的裝置,是和平利用核能的最主要的設(shè)施。

        反應(yīng)堆的種類繁多,一般是根據(jù)用途分為動力堆、生產(chǎn)堆和研究堆。動力堆是利用核裂變釋放的能量來產(chǎn)生動力,進(jìn)行發(fā)電、供熱、推動船艦等。生產(chǎn)堆是利用中子生產(chǎn)新的核燃料(核裂變材料钚–239、鈾–233,核聚變材料氚)。研究堆是利用中子進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究。反應(yīng)堆還可以生產(chǎn)放射性同位素。除了根據(jù)用途進(jìn)行分類外,反應(yīng)堆還可以按堆內(nèi)主要中子能量分為熱中子堆(簡稱熱堆)、中能中子堆和快中子堆(簡稱快堆);按冷卻劑分為輕水堆、重水堆(合稱水冷堆或水堆,輕水堆又分為壓水堆和沸水堆)、氣冷堆和鈉冷堆等。

        核能引領(lǐng)未來?

        為了實現(xiàn)核能的進(jìn)一步發(fā)展,當(dāng)前世界許多國家的核科學(xué)家正在研究與發(fā)展先進(jìn)的反應(yīng)堆,進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。我國正在研發(fā)兩種先進(jìn)反應(yīng)堆,一種是高溫氣冷堆,另一種是快中子反應(yīng)堆。由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院承擔(dān)的10兆瓦高溫氣冷實驗堆,由中國原子能科學(xué)研究院承擔(dān)的中國實驗快堆,已分別于2000年和2010年建成運行成功。最近,20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆示范電站已在山東榮成動工興建,準(zhǔn)備建設(shè)的中國示范快堆電站也已在福建三明完成了廠址選址工作。

        在這些核電站建成之后,它們所產(chǎn)生的污染相較于傳統(tǒng)能源將有很大減少,其主要污染來自于在建設(shè)過程中對鋼鐵和水泥的消耗,還有制造核燃料必須的濃縮鈾。這些材料在其本身的制造過程中,都會產(chǎn)生溫室氣體,大概和風(fēng)能漩渦發(fā)電機一樣(它在建設(shè)過程中也要用到鋼鐵、塑料、稀土等材料),但比太陽能光伏板略少。

        不過,在世界其他地方,核能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已逐漸萎縮。在 2011年地震和海嘯導(dǎo)致日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏之后,日本就沒有再啟用核電站,德國隨后計劃終止核能發(fā)電,就連法國政府也宣布,計劃減少核反應(yīng)堆的數(shù)量。美國現(xiàn)役核反應(yīng)堆的數(shù)量也在減少。核能工業(yè)受冷的另一個主要原因是財政壓力。建設(shè)大型核反應(yīng)堆,需要花費大量金錢來保證其安全性和可靠性。希望通過對核能的不斷深入研究,我們可以找到更簡單和廉價的方式來控制和利用核能。

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