核能利用

核能的釋放通常有兩種形式，一種是重核的裂變，即一個重原子核(如鈾、钚)分裂成兩個或多個中等原子量的原子核，引起鏈式反應，從而釋放出巨大的能量；另一種是輕核的聚變，即兩個輕原子核(如氫的同位素氘)聚合成為一個較重的核，從而釋放出巨大的能量。

重核裂變能

1938年，德國科學家奧托·哈恩和斯特拉斯曼用中子轟擊鈾原子核，發現了核裂變現象。鈾-235是自然界存在的易于發生裂變的惟一核素。當一個中子轟擊鈾-235原子核時，這個原子核能分裂成兩個較輕的原子核，同時產生2到3個中子和β、γ等射線，并放出能量。如果新產生的中子又打中另一個鈾—235原子核，引起新的裂變。以此類推，這樣就使裂變反應不斷地持續下去，這就是鏈式裂變反應。在鏈式反應中，核能就連續不斷地釋放出來。

1942年12月2日，在美國芝加哥大學體育場西看臺底下的一個網球廳內，一批科學家在恩里科·費米的領導下，聚精會神地操縱著一座由40噸天然鈾短棒和385噸石墨磚構成的龐然大物。下午3點25分，啟動運行成功。這個龐然大物，就是世界上第一座人工核反應堆。雖然從反應堆發出的功率只有0．5瓦，還不足點亮一盞燈，但其意義非同小可，它首次實現了自持鏈式反應，從而開始了受控的核能釋放，標志著人類從此進入了核能時代。

1954年，前蘇聯在莫斯科附近的奧布寧斯克建成了世界上第一座核電站，輸出功率為5000千瓦。到60年代中期，核電站走向實用化和商品化。工業發達國家核電發電成本已與燃煤火力發電站持平甚至略低。目前建成的核電站其原理均是利用鈾的裂變能。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的270萬倍。這就意味著，一座100萬千瓦的火電廠每年要燒掉約330萬噸煤，而同樣容量的核電站一年只需耗用大約1．2噸核燃料。

1991年，中國自行設計、建造的第一座核電站——泰山核電站啟用，繼之大亞灣核電站投產。中國正規劃興建4座新的核電站，到2010年核電總量有望達到2000萬千瓦。

至本世紀初，核能已占全世界總能耗的6％。

輕核聚變能

在1938年發現鈾核裂變的前5年，人們就已經發現了核聚變。都帶正電的原子核間既彼此吸引又互相排斥，核力是一種短程力，兩個帶正電的原子核互相接近時，它們之間的靜電斥力也越來越大。當兩個原子核之間相距只有約3x10^-12(萬億分之三)毫米時，它們之間的吸引力才會大干靜電斥力，兩個原子核也才可能聚合到一起同時釋放出巨大的能量，這就是核聚變。

與重核裂變相比，輕核聚變發電有著無可比擬的優點：

(1)能量巨大。核聚變比核裂變釋放出更多的能量。例如，鈾-235的裂變反應，將0．1％的物質變成了能量；而氘的聚變反應，將近0．4％的物質變成了能量。

(2)資源豐富。重核裂變使用的主要原料是鈾，目前探明的儲量僅夠使用幾十年；而輕核聚變使用的是海水中的氘，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反應中能產生約等于300升汽油的能量，即“1升海水約等于300升汽油”，地球上海水中就有45萬億噸氘，足夠人類使用數百億年。而且地球上鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時代使用。因此受控核聚變的燃料取之不盡、用之不竭。

(3)成本低廉。1千克氘的價格只為1千克濃縮鈾的1／40。

(4)安全、無污染核。聚變不產生放射性污染物，萬一發生事故，反應堆會自動冷卻而停止反應，不會發生爆炸。

但是，實現核聚變的條件十分苛刻，為了使2個原子核聚變，必須使兩個原子核的一方或雙方有足夠的能量，去克服彼此之間的靜電斥力，滿足這樣的條件需要幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫。

20世紀下半葉，聚變能的研究取得了重大的進展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領先，并成為世界上第一座熱核反應堆的設計基礎。

托卡馬克在俄語中是“環形”“真空”“磁”“線圈”幾個詞的組合，即“環流磁真空室”的縮寫。前蘇聯著名物理學家塔姆在20世紀50年代初，提出了用環形強磁場約束高溫等離子體的設想。受這一思想的啟發，前蘇聯物理學家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進了線圈的工藝，增加了匝數，改進了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克。

在托卡馬克裝置中，聚變反應是在圓環形的聚變反應室內進行的。這個室像一個汽車輪胎的內胎。圓環上繞的線圈產生的強磁場，使等離子體保持在圓環的中心，不會和圓環的內壁接觸。首先用感應產生的大電流，對等離子體進行加熱。這種加熱是利用等離子體有電阻的特性進行的，但隨著溫度的升高，等離子體電阻又急劇下降。所以在一般情況下，歐姆加熱很難使等離子體內的離子溫度超過1x10⁷℃。因此需要在歐姆加熱的基礎上，對等離子體進行二次加熱。這可以采用中性束的辦法，即注入高能量的不帶電的原子束。1978年美國科學家用這個辦法將等離子體加熱到7x10⁷℃。

自20世紀70年代起，世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。目前，全世界有30多個國家及地區開展了核聚變研究，運行的托卡馬克裝置有幾十個。

最近，由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國共同參與的國際熱核反應堆合作計劃(ITER)因其最終選址問題再次引起了人們的興趣。這個被稱為“人造太陽”的熱核反應堆，不僅因為13萬億日元的巨大投資引人關注，更因為如能在未來50年內開發成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類擁有取之不盡、用之不竭的理想的潔凈能源。

國際熱核實驗反應堆是繼國際空間站之后最大的國際科學合作項目，我國也已正式加盟。根據計劃，世界首座熱核反應堆將于2006年開工，2013年前完工。

這預示著在能源革命中占有重要地位的核聚變能開發和利用的曙光已出現，核能文明時代即將到來。