能源歸途：核聚變

謝高權(quán)

能源不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和通信等領(lǐng)域，也滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，是人類須臾不可缺少的東西。當(dāng)前，人類使用的能源主要有化學(xué)燃料、裂變核能、太陽能、風(fēng)能和水能，以及地?zé)崮艿取＿@些能源在使用過程中都存在一些弊端，如污染環(huán)境、資源枯竭、利用率低、受地域限制大等，難以長期滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求。作為一種既清潔安全，又取之不盡、用之不竭的理想能源，聚變核能開始進(jìn)入人們的視野。

小原子中的大世界

地球上的絕大部分物質(zhì)是由分子組成的，如水是由H[2]O分子組成的。但也有一部分物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，如石墨是由碳原子構(gòu)成的。但分子在化學(xué)反應(yīng)中會破裂成原子，如1個水分子可用電解法或其他方法再分解為2個氫原子和1個氧原子。而原子是化學(xué)反應(yīng)中不可再分解的最小微粒。

原子雖然用化學(xué)方法不能再分解，但從物理學(xué)的角度仍然可以再分解。隨著1897年英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子、1918年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的認(rèn)識，原子的真實(shí)面目被全部揭開。原子是由帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成，其直徑的數(shù)量級大約是10[-10]米。原子核居于原子的中心位置，其直徑是原子的十萬分之一，它由質(zhì)子和中子（統(tǒng)稱為核子）構(gòu)成，核子之間存在一種很強(qiáng)的作用力，叫作“核力”。它是一種短程吸引力，只在原子核直徑的很小范圍內(nèi)起作用，比電磁力要大130倍，在原子核外，則會迅速降到0。質(zhì)子和中子質(zhì)量相當(dāng)，但質(zhì)子帶正電，中子不帶電。與質(zhì)子帶有相同大小負(fù)電荷的電子，質(zhì)量很小，只有質(zhì)子的千分之一，在庫侖力的作用下，電子在核外較大空間內(nèi)作高速運(yùn)動。

同種元素的原子帶有相同數(shù)量的質(zhì)子，而對于某種特定的元素，中子數(shù)可以不同。我們把具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子稱為同位素，它們在元素周期表中所處的位置相同，就像坐在一張椅子上的“孿生兄弟”，盡管體重不同，但模樣和所處的位置一樣。例如，在自然界中，鈾就有鈾-234、鈾-235和鈾-238三個同位素。大多數(shù)同位素的原子核都是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地放出電磁輻射或粒子，而轉(zhuǎn)變成另一種原子核，或過渡到另一種狀態(tài)。

了解核裂變

原子彈和當(dāng)前核能發(fā)電是最為常見的核裂變應(yīng)用形式。核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成2個或多個質(zhì)量較小的原子的一種反應(yīng)形式。以鈾-235為例，當(dāng)用一粒中子撞擊鈾-235時，短時間形成一個復(fù)合核鈾-236，它能分裂成2個（或3個）大小不等的碎片，如1個鋇-144、1個氪-90和2～3個中子。這些碎片的質(zhì)量總和比攻擊粒子和被擊中的原子核質(zhì)量之和要小一些，損失掉的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為能量。根據(jù)愛因斯坦提出的質(zhì)量能量關(guān)系式E=mc?，E為釋放的能量，m為虧損質(zhì)量，c為光速（米/秒），在鈾原子裂變過程中，損失的質(zhì)量雖然非常少，但轉(zhuǎn)化成的能量卻非常巨大。1千克鈾-235裂變釋放的熱量相當(dāng)于燃燒了約2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

核裂變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

原子彈與當(dāng)前核能發(fā)電之間最大的區(qū)別在于是否能對核裂變進(jìn)行有效控制。當(dāng)用中子撞擊一大塊鈾-235或钚-239時，一個原子核裂變并釋放出2～3個中子，這些中子又會引起另外2個原子核裂變，并釋放出新的中子，這些新的中子又引起周圍原子核裂變，釋放出更多的中子……就這樣，越來越多的中子被釋放出來并引起越來越多的原子核裂變，這個過程就像滾雪球或推倒多米諾骨牌，人們將其稱之為“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，原子彈爆炸時發(fā)生的就是這樣一個失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。而核反應(yīng)堆是通過插入控制棒的方法來吸收多余的中子，使得平均起來每個核的裂變正好只引發(fā)另外一個核的裂變，這就成了可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

裂變核能作為一種安全、低碳、可靠的能源，已被越來越多的國家接受和采用，現(xiàn)已有60多個國家政府考慮采用裂變核能發(fā)電。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年全球的核電裝機(jī)容量將至少增加40%。

聚焦核聚變

太陽之所以能發(fā)出巨大的光和熱，是因?yàn)槠鋬?nèi)部無時無刻不在進(jìn)行著核聚變反應(yīng)，從而釋放出大量的聚變核能。核聚變又稱“核融合”、“熱核反應(yīng)”，與核裂變不一樣，它不是重原子核的分裂，而是由質(zhì)量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦）并釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)于11000噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量。

眾所周知，氫彈爆炸是人類首次運(yùn)用氘氚核聚變的成功實(shí)踐。它需要原子彈才能引爆，這說明核聚變的反應(yīng)條件異常苛刻，需要有超高溫和超高壓。首先，要使電子脫離原子核的束縛，讓原子核自由運(yùn)動，這就需要大約10萬攝氏度的高溫讓電子發(fā)生逃逸;其次，由于所有原子核都帶正電，按照“同性相斥”原理，質(zhì)量輕的原子核靜電斥力相對要小（這也是核聚變物質(zhì)一般選擇氫的同位素氘和氚的主要原因），兩個原子核之間靠得越近，靜電斥力越大。要使2個原子核發(fā)生聚變，就必須克服強(qiáng)大的靜電斥力，而這只有在同時具備1500萬攝氏度的高溫和3000億個大氣壓的壓力條件下才能實(shí)現(xiàn)。氫彈能爆炸，就是因?yàn)樵谠訌椧臅r候給它提供了瞬間的高溫高壓。但這是不可控制的爆炸性聚變，要想實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控的聚變，就必須一直保持高溫高壓。但在地球上無法持續(xù)獲得如此巨大的壓力，怎么辦？這只能通過提高溫度來彌補(bǔ)，不過這樣一來溫度要達(dá)到上億攝氏度才行。在這個溫度下，布朗運(yùn)動會達(dá)到一個瘋狂的水平，氘的原子核和氚的原子核將以極快的速度赤裸裸地發(fā)生碰撞，根本沒有時間相互躲避，從而結(jié)合成1個氦原子核，并釋放出1個中子和17.6兆電子伏特的能量。

人類歷史上第一顆氫彈爆炸的場面

為了實(shí)現(xiàn)核聚變的持續(xù)可控，為人類提供不竭的電力，人們進(jìn)行了許多富有成效的探索和試驗(yàn)。2010年9月，我國首次完成了新一代核聚變裝置EAST的放電試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。美國、法國等國家早在20世紀(jì)80年代就發(fā)起了國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計劃，我國也于2003年加入了該計劃。

聚變核能的優(yōu)勢

聚變核能相較于化學(xué)能、裂變核能等其他能源有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

資源豐富燃料足?核聚變能利用的燃料是氘和氚，其中氘在海水中大量存在。海水中大約每6500個氫原子就有一個氘原子，如此算來，氘的總量大約為45萬億噸。按全世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用上幾百億年。氚可以由鋰制造，鋰-6吸收一個熱中子后，可以變成氚。地球上鋰的儲量雖然比氘少得多，但也有2000多億噸，用它來制造氚，足夠人類使用3000萬年。由此可見，核聚變能幾乎是一種取之不盡，用之不竭的新能源。

清潔干凈無污染?實(shí)際上，核反應(yīng)堆真正燃燒的東西很少。一般核能的功率密度是化學(xué)能的百萬倍，現(xiàn)有核燃料能夠燃燒的不到1%，剩余99%多為乏燃料，由于這些核廢料具有高放射性，又不能用物理、化學(xué)和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰變，但其半衰期長達(dá)數(shù)千年、數(shù)萬年甚至幾十萬年。可見，核廢料的處理也是當(dāng)今世界的一大難題。而核聚變不會產(chǎn)生溫室氣體和核廢料，不用擔(dān)心對環(huán)境的影響。

安全可靠能量大燃燒的等離子體一旦形成，任何運(yùn)行故障都能使等離子體迅速冷卻，從而使聚變反應(yīng)在短時間內(nèi)自動停止，這意味著核聚變反應(yīng)堆本身具有內(nèi)在安全性。另外，聚變產(chǎn)生的能量比裂變產(chǎn)生的能量大得多。1千克氘全部聚變釋放的能量是1千克鈾-235裂變釋放能量的4倍。

雖然目前核聚變還沒有完全實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控，但我們相信，在不久的將來，通過科學(xué)家們的不懈努力，一定能夠?qū)崿F(xiàn)聚變核能的和平利用，開始造福人類。