淺談核物理研究在能源開發中的重要作用

王群

[關鍵詞]原子核物理；裂變；聚變；核能；核輻射；能源開發

隨著物質結構的研究開始進入了微觀領域，人們已經在這方面取得了重大的進展，特別是物理學中，建立了研究物質微觀結構的三個分支學科，即原子物理、原子核物理和粒子物理；發現了微觀世界的運動規律，創造了量子力學和量子場論；原子能的釋放，為人類社會提供了一種新能源，推動社會進入原子能時代。在能源緊張的情況下，核物理的研究更具備重要意義。核物理是國際上競爭十分劇烈的科技領域，各國都投入大量人力物力從事這方面的研究工作。

一、原子能發展的歷史

(一)原子能的發現與它產生的能量

1896年法國科學家貝可勒爾發現了鈾的天然放射性。自鈾的放射性被發現以來，核能與核技術的發展十分迅速。鈾235裂變后，除產生很強的放射線，釋放出大量中子外，還要釋放出巨大能量。1905年，德國物理學家愛因斯坦在狹義相對論中提出了一個著名的質能公式E=mc2。這個公式說明，任何物質都有質量，也有相當的能量。物質的質量可以轉換成巨大的能量，其大小是質量乘以光速的平方。當時沒有人意識到，這個質能公式為核裂變、核聚變奠定了理論基礎。

（二）核能的產生與應用

原子能即核能，它來自于原子核。核能的產生有兩種途徑：一種是原子核裂變時會釋放出巨大的能量。中子轟擊鈾的產物中會出現中等質量的原子核。另一種是原子核聚變時也會釋放出巨大的能量。當四個氫或兩個氘結合成一個氦時，會放出很大的能量，這種輕原子核聚合成較重原子核的現象稱為原子核聚變。在宇宙中能量的主要來源就是原子核的聚變，即熾熱的太陽和宇宙中的其他大量恒星，能長時間發熱、發光，能量都是由于輕核聚變的結果，因為太陽和恒星中存在的主要元素是氫。

核電站和原子彈是核裂變能的兩大應用，兩者機制上的差異主要在于鏈式反應速度是否受到控制。核電站的關鍵設備是核反應堆，核反應堆有多種類型，它相當于火電站的鍋爐，受控的鏈式反應就在這里進行。

二、原子能的特點和意義

（一）核能能量密度大

從下面核能與化學能的比較我們可以很清楚地看到它們之間的差距。

裂變 1千克鈾-235放出熱量 19 600 000 000千卡

燃燒1千克標準煤放出熱量

7 000千卡

燃燒1升重油放出熱量9 900千卡

燃燒1立方米天然氣放出熱量

9 800千卡

同一質量下,核能比化學能大幾百萬倍。從上述數據中，我們可以看到，1千克鈾-235放出熱量相當于燃燒約2 700噸標準煤。

（二）核能反應速率快

從原子彈的爆炸我們就可以領教核能的反應速度。1945年在日本廣島、長崎投放的原子彈爆炸會產生蘑菇云，那是為什么呢？就是因為核能在瞬間產生的巨大能量，急劇壓縮其周圍的空氣形成壓差，導致強烈氣流流動形成的。

（三）核裂變反應不需要氧氣

核裂變不是氧化反應，只是一個重核裂開為兩個輕核（指鈾、釷、钚），這種裂變過程中會釋放出2到3個中子，這些中子又會繼續激發其他的重原子裂變……使這過程按照鏈式反應規律持續進行下去，不需要氧氣的參與。

（四）核裂變過程伴隨放射性物質的產生

由于裂變本身釋放分裂的核內中子，所以如果將足夠數量的放射性物質(如鈾-235)堆在一起，那么一個核的自發裂變將觸發近旁兩個或更多核的裂變，其中每一個至少又觸發另外兩個核的裂變。原子彈就是一種利用核裂變原理制成的核武器。它是由美國最先研制成功的，具有非常強的破壞力與殺傷力，在爆炸的同時會放出強烈的核輻射，危害生物組織。東京電力公司從福島第一核電站３號機組廠房檢測出積水中的放射性物質包括鈰－１４４、碘－１３１、鈷－６０、锝－９９ｍ、銫１３４、銫１３７、鋇１４０以及鑭１４０等。這些都是核裂變的產物，

三、在能源開發中核物理研究起關鍵作用

（一）由于地球資源的減少，能源開發勢在必行

二戰以后進入核能時代，在能源開發戰略中，核能開發是最主要的首選。隨著人類社會的發展，人們對能源的需要已越來越大。現有能源存儲量的估計可能偏低，目前還在不斷地發現新的礦藏。就算存儲量再提高一倍，這個數字看來也是很有限的。核能是地球上儲量最豐富的能源，又是高度濃集的能源。因此，隨著人口數量的增長，能源消耗量的增加，尋找新能源已引起人們的極大關切。因此，核能是一個很重要的潛在能源。

（二）現階段，核物理研究在能源開發中的狀況

核能與核技術目前正處于成長和成熟時期，其主要標志是基礎核技術與核軍事技術已趨于成熟，形成產業，并且具有相當可觀的價值。而其他方面尚有大量的新領域正待開發，世界各國卻大量投入人力、物力進行開發，經濟效益和社會效益激增。核能與核技術強大的技術優勢決定了其強有力的生命力，是其他技術無法取代的。它在解決人類面臨的一些重大問題，如能源、環境、資源、人口和糧食等方面具有極為重要的作用，而且對于傳統行業的改造和促進新技術革命的到來將產生深遠影響。

（三）今后核能應用與研究中要注意的問題

首先要注意核能具有放射性，若其擴散到外部環境，會給地球生態和人民群眾造成巨大損失。因此必須要防止核泄漏。否則可能將引起一場大爆炸，這也是核能發電最大的擔憂。如1986年4月26日前蘇聯切爾諾貝利核電站發生的事故，波及范圍之廣，持續時間之長，死傷人員之多，一直值得我們反思。其次要和平利用核能，避免由于政治歧見，產生紛爭，影響和平利用。綠色和平組織曾經說過，“我們非常清楚，一個核反應堆可以污染一半地球”。最后，還要防止有人惡意破壞，核設施必須嚴守安全這關。避免恐怖分子襲擊，制造恐怖事件。目前各國分別采取行動，如俄羅斯，突出開發核能更重安全，正加緊研制更安全的第四代核反應堆技術。□ （編輯/穆楊）