放射化學(xué)在核能發(fā)展中的貢獻
——專訪王方定院士

本刊記者 衛(wèi)廣剛 李照煦

放射化學(xué)在核能發(fā)展中的貢獻
——專訪王方定院士

本刊記者 衛(wèi)廣剛 李照煦

The contribution of radiation chemistry in the development of nuclear energy——Special interview with academician WANG Fangding

編者按：放射化學(xué)在核能的發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用和發(fā)展中都有著十分重要、不可替代的作用。核能發(fā)展的歷史經(jīng)驗告訴人們：放射化學(xué)在認(rèn)識核科學(xué)規(guī)律和實現(xiàn)核科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中是不可缺少的重要學(xué)科。尤其當(dāng)研究工作從實驗室研究發(fā)展到實際應(yīng)用時，更是遇到許多放射化學(xué)的問題。本刊記者就放射化學(xué)在核能發(fā)展中的貢獻專訪了王方定院士。

《中國核電》：請您談?wù)劮派浠瘜W(xué)在核能發(fā)展歷史中的貢獻。

王方定：放射化學(xué)這一名稱是由卡梅倫在1910年提出的。當(dāng)時的意義是指：放射化學(xué)的任務(wù)是研究放射性元素及其衰變產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)和屬性。這一定義反映了放射化學(xué)發(fā)展初期的研究對象僅限于3個天然放射性系列。到20世紀(jì)30年代以后，人工放射性和原子核裂變的發(fā)現(xiàn)、加速器和反應(yīng)堆的建立，對放射化學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響，使放射化學(xué)的內(nèi)容不斷充實和發(fā)展，擴展到有關(guān)核過程多方面的研究。為了能更全面地反映這門學(xué)科的內(nèi)涵，人們現(xiàn)在采用“核化學(xué)與放射化學(xué)”這個比較長的名詞來概括這個領(lǐng)域，簡稱“放射化學(xué)”。

放射化學(xué)與核物理的關(guān)系十分密切。尤其在核科學(xué)發(fā)展的早期，兩者并沒有分割。同一位科學(xué)家常常需要從事物理和化學(xué)兩方面的研究工作，才能解決他們感興趣的問題。在兩門學(xué)科的交叉中，發(fā)展出了核化學(xué)與放射化學(xué)這門學(xué)科。它一登上歷史舞臺就為核科學(xué)發(fā)展作出了重大貢獻。在發(fā)現(xiàn)放射性變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新元素，發(fā)現(xiàn)新同位素，發(fā)現(xiàn)核裂變和核技術(shù)的應(yīng)用等方面，先后有5位化學(xué)家和5位物理學(xué)家獲得諾貝爾化學(xué)獎。下面談?wù)劮派浠瘜W(xué)在發(fā)現(xiàn)核能的基礎(chǔ)——核裂變過程中所作出的貢獻。

發(fā)現(xiàn)放射性后，人們就開始思考原子是否能提供能量的問題。原子自發(fā)地發(fā)射帶電粒子，產(chǎn)生電離現(xiàn)象且使照相底片感光，一定是有能量的。居里夫婦于1902年提出：“每一個放射性原子，都是恒定的能源”。當(dāng)時，所研究的對象都是長壽命天然放射性物質(zhì)，所以認(rèn)為是“恒定的”。

愛因斯坦能量-質(zhì)量關(guān)系可以解釋放射性能量的來源。放射性釋放的能量=母體原子質(zhì)量-（子體原子質(zhì)量+釋放出的原子質(zhì)量）。1905年，他曾提出研究放射性可能檢驗質(zhì)-能方程。8年以后，德國的斯溫曾想過準(zhǔn)確測定放射性元素的原子重量可以證明質(zhì)能關(guān)系。可惜因質(zhì)量變化太小未能如愿進行。

質(zhì)能關(guān)系啟發(fā)了對原子能來源的科學(xué)思想。美國的哈金斯等于1915年提出了他們討論的假說，即所有原子都由氫，即等量的質(zhì)子和電子構(gòu)成，原子在達到穩(wěn)定的同時損失了質(zhì)量，釋放出相應(yīng)的能量。4克原子氫生成1克原子氦時，釋放的能量為1012卡，比通常化學(xué)反應(yīng)的能量大百萬倍以上。

20世紀(jì)30年代，建設(shè)了多種加速器。發(fā)現(xiàn)了釋放大量能量的核反應(yīng)。與只有重元素才具有的放射性比較，它的優(yōu)點是可控而釋放的。但是這離實際使用還有很大距離。雖然氘擊打鋰釋放的能量為22.5 MeV，但每108個能量為2 MeV氘才能引起一次反應(yīng)，實際提供的能量遠大于獲得的能量，是得不償失的。

可見，直到1939年前，歐洲和美國的核科學(xué)家們對于原子能實際應(yīng)用的前景并不樂觀。核裂變，這一釋放大量能量現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，一夜之間使情況發(fā)生了劃時代的變化。當(dāng)然，僅是裂變本身尚不足以解決應(yīng)用核能的問題。它同時還得釋放出使其能自持反應(yīng)的中子，才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使能量得以源源不斷地提供，成為一種實用的能源。

1932年發(fā)現(xiàn)中子后，許多實驗室用中子打靶尋找新元素。1934年，費米在研究中子引發(fā)的核反應(yīng)時報導(dǎo)說：當(dāng)鈾被慢中子轟擊后，至少探測到四種半衰期不同的β放射性。他假設(shè)其中之一是238U（n，γ）所產(chǎn)生的239U發(fā)出的。而239U經(jīng)β衰變生成93號元素。這樣連續(xù)進行β衰變，就產(chǎn)生94、95…號元素。他將這些“元素”命名為超鈾元素。

當(dāng)費米等人宣布證明了超鈾元素存在時，發(fā)現(xiàn)錸（Re）的德國女化學(xué)家諾達克發(fā)表了題為《論93號元素》的文章。文章不同意費米的觀點。她認(rèn)為：“這種中子引起的新型的核衰變，與質(zhì)子或α引起的核反應(yīng)不同，是發(fā)生了一種重要的新的核反應(yīng)。可以想象當(dāng)中子轟擊重核時，核分裂成幾片大碎片，這些碎片都是已知元素的同位素，而不是被轟擊元素的近鄰元素”。但是當(dāng)時因為普遍認(rèn)為由于庫侖位壘作用，帶電粒子的穿透性很小，所以短時間內(nèi)大量帶電粒子的發(fā)射是不可能的。因此許多科學(xué)家接受了費米的觀點，并對這些位于周期表鈾以外的“新元素”的鑒定發(fā)生興趣。其中著名的學(xué)者有：德國的哈恩和梅特納、法國的約里奧-居里夫婦。他們都用載體技術(shù)進行研究。

1938年，德國化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)表了用鋇、鑭做載體的實驗結(jié)果。他們用Rn-Be中子源產(chǎn)生的中子轟擊鈾后，在與載體鋇共沉淀的物質(zhì)中，先后發(fā)現(xiàn)了4種不同的放射性。他們認(rèn)為這些首先被載帶的放射性物質(zhì)應(yīng)當(dāng)是與鋇同屬一族的鐳的同位素。估計應(yīng)當(dāng)是：92U（n，2α）、88Ra反應(yīng)生成的鐳的同位素，然后，放置的鐳經(jīng)過β衰變，加入鑭做載體，共沉淀下來的放射性物質(zhì)是原子序數(shù)89的錒的同位素。這似乎也證實中子轟擊所生成的物質(zhì)的確是鐳。

與此同時，約里奧-居里夫人仔細(xì)地研究了中子轟擊鈾后生成的半衰期為3.5 h的產(chǎn)物，并命名為R3.5。她發(fā)現(xiàn)用草酸從硝酸溶液中進行分步沉淀時（老居里夫人曾用以分離鐳-鋇的方法），這個被哈恩認(rèn)為是錒的同位素的R3.5卻濃集在鑭而不是在錒餾分（227Ac是235U天然放射性系列的子體，可用作指示劑）。因此，R3.5不可能是錒的同位素。可是，由于她的實驗引入了雜質(zhì)，導(dǎo)致她誤以為R3.5可以與鑭分開。沒有得到R3.5是鑭的同位素的結(jié)果。當(dāng)哈恩讀到這篇文章時，他認(rèn)為那是不可能的。但是哈恩得出了明確的結(jié)論：如果錒變成了鑭，那么鐳就應(yīng)當(dāng)是鋇。

這促使哈恩進一步研究他們認(rèn)為是鐳的同位素究竟是鐳還是鋇的同位素。繼續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)所得的放射性物質(zhì)能與鐳的一種同位素新釷（228Ra）分離而不能與鋇分離。1939年1月，他在文章中寫道：“我們的結(jié)果是：我們所得的鐳同位素具有鋇的性質(zhì)”，“作為一個化學(xué)家，我們要用Ba、La、Ce來代替Ra、Ac、Th，但是作為一個與物理有關(guān)的放射化學(xué)家，我們不能這么說。因為它與之前核物理所做的實驗相矛盾”。于是，他們重新審視過去工作的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)他們還曾經(jīng)得到過一種性質(zhì)似錸的“超鈾元素”，并曾將之設(shè)定為比錸高一個周期的元素。現(xiàn)在假設(shè)鐳變成了鋇，那么這個元素也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地回落一個周期到原子序為43的元素（后來人們知道這個元素是自然界并不存在的锝）。鋇和43號元素的質(zhì)量數(shù)可以是138和101。138+101=239，正好是238U與中子質(zhì)量數(shù)之和。這是一種前所未見的核反應(yīng)：中子引起的、把鈾原子核劈成兩半的反應(yīng)。

曾和哈恩同在柏林一起工作過的梅特納，提出了中子與鈾相互作用的解釋。1939年1月，她在自然雜志（Nature）上發(fā)表了一封信。信中說：“初看這一結(jié)果似乎很難理解。以前曾有人認(rèn)為生成了遠比鈾質(zhì)量小的元素，但是在沒有明確的化學(xué)證明之前，總不被物理學(xué)界承認(rèn)。現(xiàn)在看來，鈾核的形狀穩(wěn)定性很差，在俘獲中子后，自己分裂成大小大致相同的兩個核”。這個現(xiàn)象稱為裂變。如果發(fā)生的是裂變，就可以解釋生成了鋇和鑭。接著梅特納又提出：由于裂變產(chǎn)物的中子-質(zhì)子比高，所以裂變碎片極不穩(wěn)定而進行一系列β衰變。這些衰變產(chǎn)物被誤認(rèn)作超鈾元素。

放射化學(xué)方法鑒定出鋇是反應(yīng)產(chǎn)物，是證明核裂變概念的核心。以后用其他方法也進一步驗證了裂變現(xiàn)象。正如梅特納所預(yù)言的：裂變伴隨著釋放大量能量。裂變碎片高速飛出，在他們飛行的途徑上產(chǎn)生電離。很快就成功地用電離室和放大器證明：中子轟擊鈾后，釋放出具強電離能力的粒子，證實了梅特納的理論。

裂變反應(yīng)以其釋放巨大能量而著稱。梅特納的估計及實驗結(jié)果知道鈾裂變產(chǎn)生能量約為200 MeV。即所釋放的能量為反應(yīng)粒子質(zhì)量與生成粒子質(zhì)量之差。從此，核能在軍事上得到應(yīng)用，成為重要的產(chǎn)業(yè)。

放射性同位素生產(chǎn)線

《中國核電》：請您談?wù)劮派浠瘜W(xué)的最新進展和我國核能的發(fā)展前景。

王方定：放射化學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)不僅僅是一門獨立的學(xué)科，它與原子核物理學(xué)、分離過程化學(xué)、輻射測量、輻射防護、輻射化學(xué)、同位素化學(xué)及應(yīng)用、放射性廢物處理、核燃料后處理工藝學(xué)、核化學(xué)工程、錒系元素化學(xué)等學(xué)科都有關(guān)聯(lián)。它主要的研究應(yīng)用領(lǐng)域包括：核燃料循環(huán)、核物理、放射性、核反應(yīng)、核能的生產(chǎn)與利用、鑭系元素與錒系元素的化學(xué)性質(zhì)、溶劑萃取、離子交換、壓水堆的一些化學(xué)問題、核燃料循環(huán)化學(xué)、同位素的應(yīng)用、輻射防護等；此外，生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地球與空間科學(xué)等領(lǐng)域中也涉及放射化學(xué)問題。

核能，尤其是核電，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，無論安全性，還是經(jīng)濟性，都得到了很大的改進，可以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。我國目前正積極發(fā)展核電建設(shè)，這是調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)的重要方式之一。對于我國來說，應(yīng)該主要建造世界上已標(biāo)準(zhǔn)化的，成熟的第二代（或二代改進型）核電站，逐步向第三代、第四代核電發(fā)展。要確保現(xiàn)有核電站安全穩(wěn)定運行，提高功率，增加效益和延長壽期；要由第二代核電站逐步向第三代核電站過渡；在研究開發(fā)第四代核電站的同時，研究開發(fā)與快中子增殖堆相匹配的先進核燃料循環(huán)技術(shù)。核能可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)是：燃料的有效利用，廢物的最小化；安全、可靠，無放射性廠外釋放，不需廠外應(yīng)急；經(jīng)濟性好，壽命周期長，成本優(yōu)于其他能源。

《中國核電》：請您對從事放射化學(xué)的青年科技工作者提幾點建議。

王方定：首先，核工業(yè)體系中，放射化學(xué)研究的特點是要與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。這不但是我們多年來的優(yōu)良傳統(tǒng)，而且是我們今后必須堅持的方向。離開了這個方向，也就保不住放射化學(xué)的繼續(xù)發(fā)展。這就要求青年科技工作者在工作中永遠不滿現(xiàn)狀，時時聯(lián)系到生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，不拘泥于前人走過的道路，大膽提出新的想法和題目。創(chuàng)造性來源于實踐，來源于深思熟慮的腦力勞動和不屈不撓的堅持。不是脫離實際，坐在辦公室里拍拍腦袋就能出來的。

其次，要加強核化學(xué)與放射化學(xué)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，才能適應(yīng)我們所處位置的需要。這方面過去我們是有缺陷的。因為我們易于受到所研究課題的影響，局限于個人所從事具體題目的小圈子里。而科研生產(chǎn)實踐要求我們有一定的技術(shù)儲備，能迅速接受新任務(wù)；有廣闊的學(xué)科眼界，能參加到有關(guān)問題的探討中。例如對放射性核素半衰期問題的討論，我們首先要有迅速的判斷力。這就要對核過程與環(huán)境關(guān)系有基本的了解，而不是簡單地憑經(jīng)驗去判斷是非。

第三，要隨時關(guān)心有關(guān)學(xué)科的進展，擴大知識領(lǐng)域，從本專業(yè)的角度去考慮交叉接口學(xué)科的問題。我們在長期發(fā)展中一條重要的經(jīng)驗就是集多種專業(yè)去攻克一個問題，往往能收到事半功倍的效果。這要從了解相關(guān)學(xué)科開始：積極參加學(xué)術(shù)活動；走訪、了解其他學(xué)科；廣泛閱讀文獻資料都是可行的方法。如當(dāng)今人們對生態(tài)、環(huán)境越來越重視，關(guān)心的人群越來越廣。提前思考眼下能夠被接受的廢物處理方法是否恰當(dāng)，可能就孕育著新的研究課題。在科學(xué)技術(shù)上不為自己辯護，而是自己找差距，往往是創(chuàng)新題目的來源。

第四，要珍惜已經(jīng)取得的成果，對其研究要更加深入和系統(tǒng)。如鈾、镎、钚、镅、鋦是我們研究得最多的五個超鈾元素。并且為武器研究需要提供了重要原料。但是，我們尚沒有像研究鑭系元素那樣把從錒到鐒的5f電子層元素做系統(tǒng)的研究。對這方面進行系統(tǒng)研究，了解它們之間的異同和關(guān)系，對實踐（釷、鈾、镎、钚、镅、鋦、锎都是有實際應(yīng)用價值的元素）有重大意義。同時，也能帶動這門學(xué)科，發(fā)揮放射化學(xué)學(xué)科的專長，往周期表的深處延伸，預(yù)測它們的化學(xué)性質(zhì)。

王方定院士簡介：

王方定，中國科學(xué)院院士，1928年12月21日生于遼寧省沈陽市，1953年畢業(yè)于四川化工學(xué)院化學(xué)工程系，中國原子能科學(xué)研究院研究員。早期參加我國鈾礦石的分析、處理研究；1958年開始從事核武器研制中的放射化學(xué)工作，研制了用于引發(fā)原子彈鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)的中子源材料，并用于核武器的點火部件；參加創(chuàng)建了核試驗的放射化學(xué)診斷方法，并多次用于實踐，如裂變?nèi)己牡脑\斷方法等；20世紀(jì)80年代開展了多價態(tài)裂變產(chǎn)物化學(xué)狀態(tài)和自發(fā)裂變電荷分布的研究，近年來從事核燃料后處理中長壽命裂變產(chǎn)物元素的化學(xué)及工藝研究。