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   2006-07-24   凯风网   作者:张开逊      [纠错]

  十一、释放核能


  20世纪40年代,人们开始向原子核索取能量。这项发明有可能让人类在未来获得永不枯竭的能源,与此同时世界亦蒙上了核战争的阴影。

  能量是物质运动变化的动力、人类生存发展的重要基础。古往今来,地球上的人类和其他生灵利用的一切能源几乎都来自太阳,太阳的光和热使地球充满生机。在太阳照的耀下,绿色植物的光合作用造就了地球上的食物链,为一切生命提供了必需的保障。由于太阳的热辐射,地球上的水和大气时刻不停地运动,造就了奔腾的江河、呼啸的海洋,以及无处不在的风,它们成为人类最早利用的自然力。太阳还造就了深藏地下的煤和石油,18世纪以后,它们开始成为机器的能源,为产业革命提供最重要的物质保障,直到今天,它们仍然维系着人类的繁荣。


     无论是植物的光合作用,人和动物的消化过程,或是木柴、煤和石油的燃烧,这些都是化学反应,相关的能量转换都发生在原子的外层电子中,而原子核并未参与这种提供能量的过程。在一次偶然的事件中,科学家注意到,有些物质在没有发生化学反应的条件下,仍不断地向外部世界释放能量。这一发现激发了人类探究原子内部奥秘的热情。
人们发现,原子有一个比它更小的核,这个核由更小的粒子组成。当原子核的结构发生改变的时候,在有些情况下质量会减少。这些莫名其妙“丢失”的质量会转变成能量。由原子核产生的能量被称为“核能”,当发生变化的原子核数量足够多的时候,其产生的核能会相当可观。


     1896年初,德国物理学家伦琴发现X射线的消息传到巴黎,数学家彭伽莱(公元1854~1912年),在1896年1月20日法国科学院举行的例会上介绍了伦琴的发现,并且展示了一张X射线的照片。他建议当时参加会议的另一位科学家贝克勒尔(公元1852~1908年)研究X射线是从哪里发出的。


  贝克勒尔家族已有3代人研究荧光,熟知很多种矿物经阳光照射后会持续发出一种微弱的光,就像黑暗中萤火虫发出的光,人们称之为荧光。贝克勒尔猜测X射线可能是从荧光里发出来的。他将照像底片用厚厚的黑纸包住,与一些能产生荧光的含铀化合物放在一起在阳光下曝晒。黑纸可以完全阻挡阳光,如果太阳光激发的荧光里有X射线,它就会透过黑纸使底片感光。为了防止铀化合物同底片接触发生化学反应,并且避免样品发热对底片产生影响,他还在底片和铀化合物之间放置了一块玻璃板。经过一段时间阳光照射,显影后的底片果然出现了感光的黑斑,这似乎证实了贝克勒尔原先的想法,他决定用新的底片继续观察。


  天公不作美,接连几个阴天,贝克勒尔只好把含铀的化合物连同黑纸包着的底片一起放进抽屉,待太阳出来再做实验。几天之后天空放晴,贝克勒尔准备继续将其置于阳光下试验。他是一位非常严谨的科学家,职业习惯使他在每次实验之前总要重新检查底片是否符合要求,有无在存放的过程中由于疏忽而漏光。然而令他惊讶的是,这些包得严严实实的底片,显影后仍然出现了浓重的黑斑。对于用来进行实验的荧光物质,他非常熟悉:它们在阳光照射之后发出的荧光只能维持100秒左右,而新现象表明这种含铀的化合物发出了另外一种射线,它与荧光无关。贝克勒尔经过反复试验,发现所有含铀的物质无论固体、液体都会发出射线,他称之为“铀射线”;后来人们又称其为“贝克勒尔射线”。当年5月18日,贝克勒尔在写给法国科学院的报告中说,这是铀原子自身发出来的一种射线。


  居里夫妇对贝克勒尔发表的论文极感兴趣,来自波兰的玛丽亚·居里(居里夫人,公元1867~1934年)在其丈夫皮埃尔·居里(公元1859~1906年)的建议下,于1897年选择“铀射线”这一课题作为博士论文。


  贝克勒尔使用照像底片可以判断射线是否存在,但只能大体了解射线强弱而无法定量地研究。居里夫妇采用皮埃尔·居里和兄长雅克斯·居里(公元1855~1941年)在1880年发明的压电石英静电计测量射线产生的电流,则能精细地区分射线强度的微小差别。
定量研究常常导致新的科学发现。


  居里夫妇利用沥青铀矿作为研究对象。这是一种成分极为复杂的含铀矿物,通过化学方法可以把其中多种不同的成分分离出来。在研究沥青铀矿的时候,他们发现化学元素钍也能够发出射线。1898年7月,他们从沥青铀矿中分离出一种人们尚不知晓的元素,这种元素发出的射线比相同质量的铀强几百倍。居里夫人建议以她的祖国波兰命名这种元素,人们采纳了她的建议,将其命名为钋(Polonium)。在拉丁语中,钋是波兰的谐音。6个月之后,他们又在沥青铀矿中发现另一种射线强度更高的元素。经过4年的奋斗,他们从8吨沥青铀矿中提炼出0.1克这种元素纯净的化合物,射线强度比铀高几十万倍。


  由于发现许多种不同的元素都可发出射线,居里夫妇提出了“放射性物质”的概念,并且建议把新发现的这种具有极强放射性的元素称为“镭”(Radium),在拉丁语中“镭”的含义是“放射物”。1900年,他们在巴黎举行的国际物理学会议上作报告,题目为《新的放射性物质和它们发出的射线》,叙述了测量放射性物质的方法、新的放射性元素的化学性质,以及它们发出的光具何特点。在报告中,他们还谈到尚不清楚的两个问题:射线的能量从哪里来?射线到底是什么?


  在发现钋和镭的过程中,居里夫妇付出了生命的代价。1906年,皮埃尔·居里在巴黎的大街上不幸被一辆马车撞死。居里夫人坚韧执着地继续从事放射性研究。当时人们不清楚放射性物质对人体的影响,这些放射性物质严重地损害了居里夫人的健康,她在67岁时因血癌去世。多年以后,居里夫人的女婿约里奥·居里(公元1900~1958年)曾用探测仪器检查居里夫人当年的实验记录本和她在厨房使用过的菜谱,结果发现虽已经过50年的时间,但这些物件仍然带有很强的放射性。


  居里夫妇提出的问题很快有了答案,几年之后,人们弄清了放射性现象的本质。早在贝克勒尔发现“铀射线”的第二年,新西兰物理学家卢瑟福(公元1871~1937年)便开始研究这种射线和X射线的区别。他用许多层铝箔把具有放射性的含铀化合物包起,然后逐层拆开测量放射性强度的变化,结果发现有两种射线,一种穿透性弱,另一种穿透性比较强;它们都能在磁场中偏转,一种向左转,另一种向右转;穿透性弱的一种带正电,另一种带负电,他分别称之为α射线和β射线。1900年,法国物理学家维纳尔德(公元1860~1934年)发现了放射性物质发出的穿透力极强不带电的射线,卢瑟福称之为γ射线。α、β和γ,是希腊字母表中的头3个符号。卢瑟福认为从原子中发出的射线只有这3种,其中α射线是电离后带正电的氦离子,β射线是高速运动的电子,γ射线是比伦琴发现的X光穿透性更强的不带电的射线。
后来,卢瑟福发现原子释放的射线随时间推移越来越弱,呈现出一种有趣的规律:每过一定的时间,强度会衰变为原来的一半。例如经过一天其衰变为原有强度的1/2,经过两天变为1/4,经过3天变为1/8……而且,原子在发出射线的时候,放射性物质不断地变成另一种新的元素。


  从1909年开始,卢瑟福开始用放射性物质发射的α射线轰击金属箔,最初用金箔,后来用铅箔。他发现绝大多数α粒子沿直线穿箔而去,少量与金属箔相遇之后改变方向,还有极少量反弹回来。1911年,他提出一种解释这种现象的理论:“原子并非人们想象的那样是镶嵌电子的实心球。它有一个小小的内核,核带正电,原子的全部质量差不多都集中在核内,电子则在外面围绕核旋转,就像是一个缩微的太阳系,众多行星围绕太阳旋转。在核与电子轨道之间空空荡荡,一无所有”。基于这种假设,卢瑟福从理论上计算出α粒子反弹后在不同角度分布,与实验结果完全符合。从此,人们对原子的结构才有了正确的理解,产生了“原子核”的概念。科学家的测量表明,氢原子核的质量大约是电子质量的1840倍。如果把原子放大到地球那么大,那么,原子核的大小就相当于一个苹果。

  随后,人们开始用α射线轰击多种元素,看它们究竟能变成什么物质。1919年,卢瑟福发现,α粒子轰击氮原子的时候,产生了氧原子,同时释放一个氢离子。他认为氢离子是原子核中最小的带正电的粒子,他称其为质子,而且断言原子核是由质子构成的。1921年,他又发现在α粒子轰击下,硼、氟、钠、铝和磷都可以变成另外的元素。


  1928年,德国物理学家博特(公元1891~1957年)用α粒子轰击铍,产生了一种穿透性很强的射线,它的能量比γ射线大得多,甚至比入射的α射线能量还要大,被称为“博特γ射线”。1932年1月18日,居里夫人的女儿伊雷娜·居里(公元1897~1956年)和女婿约里奥·居里(公元1900~1958年)用实验室里很强的钋放射源产生的α粒子轰击铍,产生“博特γ射线”,再用这种射线轰击石腊,产生了氢离子。他们感到非常奇怪,没有质量的γ射线居然会打出比电子重1840倍的质子!在无法解释的情况下,他们发表了自己的报告。


  英国物理学家查德威克(公元1891~1974年)重复了居里夫人女儿、女婿的这项实验,并进行了更多的研究。他发现用“博特γ射线”照射氢的时候可以打出质子,而且这种射线会反弹回来;他发现所谓“博特γ射线”并不是真正的γ射线,而是一种不带电的粒子流,这种粒子的质量与质子差不多,他称其为中子。1932年2月17日查德威克写信给英国《自然》杂志,发表了这一研究结果。从此,人们对原子核的了解又前进了一步,知道它是由质子和中子共同组成的。中子不带电,不像α粒子那样会受到原子核正电荷的排斥,自由飞行的中子很容易进入原子核内部引起核反应,从而改变原子核的结构。发现中子,使人们找到了开启核能之门的钥匙。


  用α射线轰击铍,可以轻而易举得到中子。从1934年开始,意大利物理学家费米(公元1901~1954年)用中子轰击氢、锂、硼、氮和氧的原子,希望它们能够变成另外的元素,产生新的放射性物质。然而没有得到预期的结果。1934年秋天,他在无意中发现,在中子源和被轰击的样品之间放上石蜡,中子经过石蜡之后,轰击样品发生的核反应大大增加。既长于实验又精通理论的费米对此迅速作出解释:石蜡减缓了中子运动的速度,慢中子更容易引起核反应。实验证实了费米的看法,短短几个月,费米的研究小组按照元素周期表的顺序,从氢开始,依次用减速后的慢中子轰击63种不同的元素,产生了37种新的放射性同位素。当时,费米最感兴趣的是用中子轰击铀,铀在元素周期表中排序为92,希望能产生自然界中从来没有发现过的93号元素。


  制造93号元素的努力差不多持续了4年仍无结果。1938年,参加这项工作的德国物理学家哈恩(公元1897~1968年)和斯特拉斯曼(公元1902年~)分析了中子轰击铀的产物,发现它不是原子序数92附近的元素,而是原子序数为56的钡元素。哈恩把这一结果写信告诉因躲避纳粹德国迫害逃亡的奥地利女物理学家迈特纳(公元1878~1968年),她和同是物理学家的侄子弗里斯(公元1904~1979年)认真讨论这封信后恍然大悟:在中子轰击下,铀原子核已经分裂成两个碎片,碎片的质量大约是铀原子核的一半。她把这种现象称为“原子核裂变”。后来,中国物理学家钱三强(公元1913~1992年)、何泽慧(公元1914年~)夫妇,在法国居里实验室发现了铀235在慢中子轰击下可以分裂成3个或4个碎片,称为三分裂或四分裂。(86)


  发现核裂变具有重大意义。在实验中人们注意到,铀原子核分裂时产生的所有碎片,其质量加在一起比铀原子核原来的质量小,有一部分质量神秘地失踪了。1905年9月,爱因斯坦(公元1879~1955年)在关于“相对论”的第二篇论文中,曾经提出一个重要的论断:质量与能量可以相互转化,消失的质量可以转化为物体的动能或电磁波;并且推导出它们之间相互转化的公式E=MC2,即能量等于质量乘以光速的平方。精确测量核反应前、后质量的变化再经过简单的计算,人们大为惊讶:一个铀原子核裂变时释放的能量,比一个碳原子氧化(例如煤燃烧)时产生的能量大5000万倍!1939年1月,弗里什拆除了实验中包裹铀样品的金属箔,通过真空三极管做成的电子学装置观测到铀在核裂变时发出的强电磁波信号,证实铀核裂变确实释放能量。


  几个铀原子核裂变释放的能量可能没有什么价值,然而如果这种反应能够连续进行下去,有大量的铀核参与反应,那么就有可能产生难以估计的巨大能量。科学家注意到重原子核(例如铀)里中子数目总是比质子多,比较轻的原子(例如钡)里中子数和质子数大体相等。当铀核裂变成为碎片时,必定会有多余的中子释放出来,这些中子又可能引起下一级裂变反应。如果一个中子轰击铀核能够产生两个以上中子,裂变反应一旦发生,就会数量翻番一级一级传递下去,这种反应可能像雪崩一样会在极短的时间内发展成为很大的规模。约里奥·居里、费米和匈牙利物理学家西拉德(公元1898~1964年),分别在各自的实验室里观察到了这种连续发生的铀核裂变过程,每个铀235原子核裂变时可以释放2~3个中子,这种核反应传递到下一级的时间非常短,大约1亿分之1秒。人们把这种连续发生的核反应称为链式反应。


  通过计算,科学家知道1千克铀235发生链式反应释放的能量,相当于2万吨TNT炸药爆炸产生的能量。如果用它做成炸弹,威力将比同等重量的普通炸药大数千万倍,成为前所未有的毁灭性杀伤武器。


  核裂变的发现正值第二次世界大战爆发前夕,特别是纳粹德国已经开始加紧进行链式反应的研究,使许多科学家预感制造核武器的危险,1939年7月,流亡到美国的匈牙利物理学家西拉德和维格纳(公元1902~1995年)秘密找到爱因斯坦,希望借助他的名望给美国总统罗斯福写信,促使美国先于纳粹德国造出核武器。1939年8月2日,爱因斯坦签发了给美国总统罗斯福的信。1941年12月6日,美国政府做出制造核武器的决定。1942年9月,美国成立由3名官员和两名科学家组成的委员会,牵头制造核武器的庞大工程,代号“曼哈顿工程”。投入该项计划的有2000多名文职人员,3000多名军事人员,其中有1000多名科学家,包括大批受到纳粹德国迫害逃往美国的欧洲著名物理学家、数学家和工程技术专家。


  要实现核爆炸,需要有一定数量的可以发生核裂变的材料。然而在天然铀中,铀235只占0.7%,其余99.3%都是同位素铀238,它吸收中子却不发生裂变。1940年,美国物理学家麦克米伦(公元1907~1991年),发现铀238在俘获一个中子后,会变成另一种新的元素镎239。同年,美国核化学家西伯格(公元1912~1999年),发现镎原子核会释放电子,而且它们中的大部分在几天之后就变成了可以发生裂变反应的钚239。于是,制造核弹便有了两种材料来源,一种途径是从天然铀中提纯铀235,另一种途径是把铀238变成钚239。


  为了研究链式反应实现的条件,尝试利用天然铀中的铀238制造钚,1942年10月,由意大利物理学家费米领导的一个科研小组,在美国芝加哥大学建立了一座6米高的核反应装置,它由石墨层和铀层相间堆砌而成,人们称它为核反应堆。反应堆中的石墨用于铀原子核裂变时减慢中子的速度,以使它们有效地引发下一级核反应。反应堆中还插有许多镉棒,用来吸收中子,以便控制核反应的强度。当镉棒抽出时,核反应便即刻开始。1942年12月2日,这座反应堆开始运行,当时运行功率只有1/2瓦,10天后上升到200瓦。这是自古以来人类首次实现让核自行进行持续链式反应,开创了可控核能释放的历史。


  1945年7月,美国制造出3颗原子弹,其中一颗是铀弹,两颗是钚弹。制造铀弹所需要的铀235裂变物质,是用强大的磁场从天然铀原料中一个原子一个原子挑捡出来的;钚239是用原子反应堆产生中子照射不能裂变的铀238,慢慢制造出来的。美国在田纳西州橡树岭建造生产核裂变材料的工厂,当时制造这些材料的用电量曾达到全美国当时用电量的1/3。为了获得分离铀235所需要的磁场,美国政府曾经向国库借几吨白银,制造产生磁场的线圈。按照1940年的购买力计算,曼哈顿工程共耗资30亿美元。


  同年7月16日凌晨5点30分,美国在其新墨西哥州沙漠进行第一次核爆炸试验——引爆了一颗钚弹。爆炸之前,这颗原子弹安放在竖立的钢架上,人们穿着厚厚的防护服,戴着深黑的护目眼镜,躲在16千米之外的掩体里观看。原子弹的主要设计者费米,在掩体里以焦虑的目光注视即将爆炸的核弹喃喃地说:“它爆炸的时候会不会引燃地球的大气呢?”


  爆炸发生的时候,天空中出现了异常明亮的闪光,在300千米之外可以看到;爆炸的声音在160千米之外可以听到。人们看见一个火球翻腾升起,直到3千米高空才熄灭,随后一道蘑菇云升起,高达12千米。安放原子弹的钢架全部气化消失;爆心处被炸出一个直径400米的大坑;直径800米范围内,砂石熔化成黄绿色玻璃状物体。在距离爆炸中心800米的地方,原先放置的一个70米高40吨重的钢塔嵌在坚实的混凝土基座中,爆炸时,它被冲击波推倒,扭曲、撕裂;在爆炸中心半径1600米范围内,所有动植物全部死亡。就在当天空出现明亮闪光的时候,掩体中有几个人由于过度兴奋忘记戴护目镜,以至2~3秒钟之后永久地失明了。4小时之后,监测爆炸威力的仪器数据计算的结果是,它相当于2万吨TNT炸药。


  当初,爱因斯坦和西拉德建议美国研制原子弹,为的是避免纳粹德国抢先研制出原子弹为人类带来灾难。1945年5月8日,纳粹德国宣告无条件投降后,西拉德于同年7月联合60多位科学家将请愿书紧急送交白宫,希望美国不要使用原子弹。请愿书中写到:“一旦它们(原子弹)作为战争工具被使用,那么想要长期阻止原子弹的引诱就很困难了。” 这种努力无济于事,美国总统杜鲁门下令向日本投掷试验剩余的两颗原子弹。


  1945年8月6日,美国空军的飞机向日本广岛投下了第一枚原子弹,摧毁了城市70%的建筑,炸死118661人。这是一枚铀弹,威力相当于1.3万吨TNT炸药。当时,一批从事核科学研究的德国物理学家,包括最早发现核裂变的哈恩等人,已被盟军抓获关押在英国剑桥附近的一个小镇监狱。英国人一直在监听他们的谈话,据解密的监听记录披露,这一天的白天,无线电广播电台报道了广岛的核爆炸,关押在监狱中的这些科学家都不相信是原子弹爆炸,认为美国人不可能制造出来。晚间,广播电台报道了关于这次爆炸的更多细节,他们不再怀疑是核武器,但猜测“大概美国人扔下了一个失控的原子反应堆”。


  8月8日,日本核物理学家西名奉日本天皇之命到爆炸现场考察,发现距爆炸中心200米范围之内,所有的瓦片都被烧熔了0.1毫米。后来在广岛原子弹死难者纪念馆中,有一段由几块岩石砌成台阶的一部分,其中一个石条上有屁股大小的影子。这是距爆炸中心280米处的一家银行正门台阶,当时有一个男人正坐在这里等他的朋友。


  继第一颗原子弹在广岛爆炸之后3天亦即8月9日,美国空军的飞机向日本长崎扔下另一颗原子弹,这是是一颗钚弹,也是当时美国人手中的最后一颗原子弹,其威力相当于2万吨TNT炸药,它摧毁了长崎60%的建筑,死亡74000人,重伤75000人。


  1945年8月15日,日本宣布无条件投降。第二次世界大战宣告结束。


  当初,核武器以维护和平的姿态出现在人类活动的舞台,旋即成为野心家争夺世界霸权的手段,美国和前苏联之间开始了疯狂的核军备竞赛。


  就在美国于极其保密的情况下研制原子弹的时候,前苏联也开始了原子弹的研制,并且从潜入美国“曼哈顿计划”的间谍手中获取了大量制造原子弹的核心机密资料。1949年8月29日,前苏联爆炸了第一颗原子弹。美国感到自身失去了核武器的优势,便决定立即开始研制另一种更具毁灭性的武器——氢弹。制造氢弹的原理是让轻原子核在高温下“聚合”成重核释放能量从而产生巨大的破坏力。同样质量的核聚变物质,其产生的能量比核裂变大4倍。


  制造氢弹的构想源于人们对太阳的研究。早在20世纪20年代,科学家已经认识到太阳产生强大的光和热,是由于构成太阳的物质发生核聚变而不停地释放能量。这种在高温下进行的聚合反应称为热核反应,早在太阳形成时已经出现。1937年,出生在法国的美国物理学家贝特(公元1906年~ )提出,太阳进行的热核反应是氢聚合成氦,氢变成氦的时候质量会减少,这部分减少的质量转化为能量。


  1942年,流亡到美国的匈牙利物理学家泰勒(公元1886~1975年)曾提出利用原子弹爆炸产生的高温,使氢的同位素氘和氚发生热核反应制造氢弹。氘和氚的化学性质与氢相同,但其原子核结构不一样。氢原子核中只有一个质子,而氘原子核中有1个质子和一个中子,氚原子核中有1个质子和两个中子。当发生热核反应时,氘和氚聚合成氦释放能量。泰勒打算用人造的太阳制造毁灭性武器。


  在前苏联第一颗原子弹爆炸4个月之后,美国总统杜鲁门签发了制造氢弹的命令。1952年,由泰勒领导的科研小组制成第一颗氢弹,他们采用液态氘作热核燃料,里面有一枚原子弹,还有一枚使原子弹起爆的普通炸弹。由于液态氘需要零下200摄氏度以下的低温,因而连同制冷设备,这枚氢弹共重65吨。当年11月1日清晨,在太平洋马绍尔群岛附近的一个小岛,美国进行氢弹爆炸试验,结果在海底炸出一个直径约2000米、深50米的大坑;爆炸时火球圆顶直径大约6.5千米;而当蘑菇云升起的时候,人们从远处的飞机上看到这个小岛已经消失。这枚氢弹的爆炸力相当于1300万吨TNT炸药,大约相当于1945年投在广岛的原子弹威力的1000倍。


  1953年8月12日,前苏联在北极圈内的一个岛上爆炸其研制的第一枚氢弹。这枚氢弹与美国刚刚爆炸的氢弹不同,它不用液体氘作燃料,而是采用氘和锂的固体化合物。当原子弹起爆时,裂变产生的大量中子使锂核变成氦和氚;在极高的温度下,氘和氘发生热核反应,放出大量中子;这些快速中子又使外层的铀238裂变产生更大的能量。这种氢弹连续发生3次核反应,裂变—聚变—裂变,其产生的破坏力巨大并且造成严重的裂变产物放射性污染。由于不再采用液氘,无需制冷,大大地减轻了重量,因而这种“干式”氢弹可由飞机装载投放。这枚氢弹的总设计师是年仅32岁的青年物理学家萨哈罗夫。至此,美国氢弹领先的优势仅维持了9个月。


  1954年3月1日,美国在太平洋的比基尼岛试爆了威力相当于1000万吨TNT炸药的“干式”氢弹。


  1955年7月15日,52位诺贝尔奖获得者在欧洲聚会发表《宣言》,表达对人类深深的忧虑。因这次会议地点在迈瑙,又称为《迈瑙宣言》。


  《宣言》写道:“我们愉快地贡献一生为科学服务。我们相信,科学是通向人类幸福生活之路。但是,我们怀着惊恐的心情看到,也正是这个科学在向人类提供自杀的手段。军事上利用现有的武器可导致放射性物质的扩散,这种扩散将成为整个民族死亡的原因。这种死亡不仅威胁交战国家的人民,同样威胁中立国家的人民。如果大国之间爆发战争,谁能担保战争不会转变为殊死的搏斗。冒昧发动总体战争的国家将加速本身的灭亡,并将给整个世界造成威胁。”


  《宣言》签名者包括核裂变研究的奠基人博特、哈恩、伊伦娜·居里、约里奥·居里和英国哲学家罗素,其时,爱因斯坦和费米已经去世。科学家揭示了原子核的奥秘、发现了利用核能的方法之后,他们已经无法控制这些科学成果的使用。


  1961年,前苏联又在北冰洋的新地岛爆炸了一枚威力相当于6000万吨TNT炸药的氢弹。这是世界核试验中最大的一次爆炸,冲击波绕地球3圈,头一圈用了6个半小时,具有巨大破坏力的冲击波速度相当于声音速度的5倍。


  当氢弹破坏程度大到已经难以想象时,美国和前苏联之间又开始了新一轮核武器竞赛。从20世纪60年代开始,核弹装上了火箭,速度与破坏力开始联姻。


  1963年,美国制造出爆炸力相当于1000万吨TNT炸药的核导弹,射程15000千米,可以飞越半个地球,命中精度1500米。


  与此同时,前苏联制造出装有3个核弹头的核导弹,每枚弹头爆炸力相当于500万吨TNT炸药,合计爆炸力1500万吨,每枚弹头可以分别击中各自的目标,命中精度650米;该国还生产了大批单一弹头核导弹,其批爆炸力为2500万吨TNT炸药。


  20世纪80年代中期,美国又制造出每个带有10~20枚核弹头的导弹,每一枚核弹破坏力为30万吨TNT炸药,可以分别命中目标,命中精度150米。


  在第二次世界大战之后的50年间,美国生产了7万枚核弹,前苏联生产了5.5万枚。它们的破坏力有的相当于1万吨TNT炸药,有的相当于数千万吨,一般单枚爆炸力相当于50万吨,相当于40颗投向广岛的核弹。在核军备竞赛最狂热的时期,两国每年分别生产1000多枚核弹。目前一枚小型核导弹的破坏力,相当于第二次世界大战中1000架飞机轰炸的效果。


  第二次世界大战期间,交战各方使用的所有爆炸物总计约为1000万吨,今天世界核武器的爆炸力超过其1000倍。全世界有60亿人口,平均分摊到每个人的核爆炸力,相当于2吨以上TNT。或许,人类与动物之间的最大区别,是动物知道自己需要什么,而且知道需要的程度,而人类却不然。


  任何人都难以想象,如果发生核战争将是什么后果。前苏联氢弹之父萨哈罗夫曾在他的后半生奔走呼号反对核军备竞赛,结果被前苏联当局监禁。他在一封告诫人们的信中说:“偶然事件、疯狂或无控制的核升级,都可以导致全面的热核战争,这将使人类毁灭的危险变得越来越现实”。爱因斯坦终生后悔他签署了给罗斯福的信。第二次世界大战之后,他奔走呼号,呼吁禁止制造和使用核武器。有一名记者曾问他:“你认为第三次世界大战将会怎么打?”他回答说:“我不知道。但我知道第四次世界大战怎样打,用石头和木棒”。因为核弹可能已经使世界的物质资料、生产能力,以及人们可以享用的财富摧毁殆尽。


  1999年1月4日,美国学者布洛克曼在他的网站向世界征询答案:“你认为2000年来对人类影响最大的发明是什么、为什么?”在无计其数的回答中,排在第二位的是“原子弹”,理由是“它能在几秒钟之内使人类回到石器时代”。


  失控的核裂变或热核反应具有巨大的破坏作用,然而可控的核反应能够非常有效地解决人类面临的能源问题,即用人为的方法控制核反应的强度和规模,使原子核温和持久地释放能量,为人类提供所需能源。


  从原子核中取得能量产生电力,是人类和平利用核能的成功探索。虽然早在1942年费米已在第一个核反应堆中成功地获得可以控制的核能,但利用核能发电还需解决一系列复杂的问题,需发明许多新技术,使核能利用安全、可靠、经济。


  到目前为止,人类发明了多种用于发电的核能转换装置,它们的基本原理与费米当年的反应堆一样,都使用铀235通过链式反应产生热量,用可以减慢中子速度的物质产生维持链式反应的慢中子,用可以吸收中子的镉棒控制反应强度,但运行方式各不相同。而今,成功的核电模式有3种。


  第一种,用天然铀作为“燃料”,采用在密封管道中循环的重水作为冷却剂,把反应堆产生的热量传递到热交换器中,加热在另一套管道中循环流动的普通水,使其产生蒸汽推动汽轮机发电。重水是氢的同位素氘与氧的化合物,其物理与化学性质同普通水相近,然而它能显著地减缓铀235裂变释放的中子运动速度,提高链式反应效率。反应堆运行时,封闭循环的重水压力达90个大气压,温度达300摄氏度。这种反应堆简称“重水堆”。


  第二种,采用低浓度铀235作“燃料”,浓度大约3%,采用普通水做冷却剂(因为重水成本很高)。它又分两种工作方式:一种采用石墨作中子减速剂,作为冷却剂的普通水被核燃料加热之后,成为热水和蒸汽的混合物,通过分离器将热蒸汽导入汽轮机直接发电,留下的热水则继续循环,从堆芯中取得能量再次产生蒸汽,这种装置简称“沸水堆”。沸水堆运行时,作为冷却剂的普通水压力低于70个大气压,温度约285摄氏度。这种方式的优点是设备比较简单,然而进入汽轮机的蒸汽带有放射性,会污染发电系统。当年前苏联切尔诺贝利核电站发生事故的就是这种“沸水堆”;另一种工作方式采用封闭的循环系统,使作为冷却剂的普通水与汽轮机发电系统隔离,水中加入硼的化合物,利用它减缓中子速度。运行时,冷却剂管道中压力高达120~160个大气压,温度高于300摄氏度,在这样高的温度和压力下,水不能变成蒸汽,通过管道加热另一套循环系统中的水,使其成为蒸汽推动汽轮机发电。这种装置可以提高热量转换高效率,减少放射性物质对发电系统污染,它简称为“压水堆”。目前世界许多核电站都采用这种设计。


  第三种,仍然采用低浓度铀235作燃料,但是不再采用水作冷却剂。由于水自身的物理特性,其工作温度和传送热量的效率都受到一定的限制,故人们改用气体做冷却剂。在这种反应堆中,采用石墨作中子减速剂,用二氧化碳或氦气作冷却剂。目前人们更倾向于采用氦,因为氦传热特性非常好、热转换效率高,而且由于氦是隋性气体,原子核结构非常稳定,在反应堆里不会产生放射性物质污染热交换系统。在封闭系统中循环的氦从堆芯中获得热量,自身工作温度高达750摄氏度以上,通过热交换器加热普通水,产生蒸汽推动汽轮机发电,简称“高温气冷堆”。


  建立在核反应堆基础之上的一系列后续发明,迅速地使核电实用化。1945年,美国建造了第一艘核动力潜艇,利用核能发电驱动电动机推动潜艇航行。这种发电方式不消耗潜艇中的氧,燃料本身自重很轻,可以长时间在水下潜行。1954年,前苏联建成第一座核电站,功率为5000千瓦,能够为一个6000人的小镇供电。到1990年,在世界范围内运行的核电机组已有419台,总装机容量322661万千瓦,比1954年增加60万倍以上。1995年,核电已占全球发电量23.16%。其中法国核电已经超过全国总发电量的80%,美国超过20%。


  人们选择核电,既有经济原因也出于对环境的考虑。1千克铀235裂变释放的能量,相当于燃烧2400吨标准煤产生的热量。一座百万千瓦级的火力发电厂,每年消耗300万吨煤,产生60万吨灰渣、排放10万吨二氧化硫、3万吨氮氧化物、3500吨烟尘。二氧化硫和氮氧化物会造成大面积酸雨破坏生态;烟尘中则含有各种各样对人有害的物质(例如重金属和砷)。运送这些煤每天都需要100个火车皮,运灰渣每天要用30个车皮;而发出同样电力的核电厂,每年需要铀燃料大约30~40吨,只一个车皮就够用,它每年产生11.6吨核废料,深埋之后对环境不会产生危害。核电站在运行过程中,不产生污染环境的物质,不向大气中排放温室气体,只要人们精心设计安全保障体系、妥善处理核废料,核电即是一种比较理想的能源。人们做过一个调查,燃煤的火力发电厂排出的各种废物对人体健康的伤害,比同等规模核电厂产生的各种物质对人体的损害大830倍。


  有人估计,按照目前人类消耗石油和煤的速度,石油大约还可用60年,煤大约可用200~300年。寻找新的替代能源已经迫在眉睫。


  不久前,人们发明一种新的核反应堆,有望解决未来相当长一段时期人类面临的能源问题。这种核反应堆同时采用铀235和钚239作“燃料”,在核燃料外面放置不能发生裂变反应的铀238。铀235与钚239在快中子作用下发生裂变释放能量,同时使铀238在快中子照射下变成钚239。在这种反应堆里,能量的释放和积聚异常迅速,水或气体都难以把核反应产生的热量带出去;人们采用液态金属钠或钾做冷却剂,在密闭的循环系统中,金属钠或钾被“堆芯”加热后,与外部的水交换热量产生高温蒸汽发电。由于液态钠或钾传热能力比水大几十倍,可使反应堆输出巨大能量同时保障运行安全。由于使用快中子激发铀和钚发生裂变反应,人们称之为“快中子堆”,简称“快堆”,还由于这种反应堆运行的时候,能够使从前无法使用的铀238源源不断地变成新的裂变材料,因而又称为“增殖堆”。


  “增殖堆”可把天然铀中60~70%的铀238变成核燃料钚239,而1克钚239裂变产生的热量相当于3吨煤。目前探明世界铀矿的储量大约460万吨,如果经过“增殖堆”处理,那么可以换算成13万8千亿吨煤,相当于目前世界已探明的煤储量约6000亿吨的20倍,可供人类使用数千年。


  人们更希望实现可以控制的核聚变,因为地球上核聚变原料氘和氚极为丰富。1升海水含氘0.03克,经聚变产生的能量相当于300升汽油燃烧发出的热量。地球上的总水量为13万8千亿亿立方米,其中海水占99.3%,有氘40万亿吨。另一种聚变原料氚,因其具有放射性且迅速发生衰变,因而早在宇宙诞生时它已变成别的物质,但是人类以可利用元素锂的同位素锂6(原子核中有3个质子和3个中子),在中子照射下发生核反应变成氦和氚。地球上锂的储量虽比不上氘多,但估计仍有2000亿吨,这些核聚变原料足够人类使用数百亿年。据天体物理学家估计,地球的寿命大约还有50亿年,因而它们足够人类使用。


  然而,实现可以控制的热核反应远比用原子弹引爆氢弹困难。其困难主要在于两点:一是必须有足够高的温度,使氘和氚的原子核获得所需速度足以克服原子核之间巨大的静电排斥力相互间充分接近,才可能发生核聚变。据初步估算,其所需温度高达5000万摄氏度,目前尚无任何一种物质制成的容器可以承受如此高温;二是必须使发生聚变的氘和氚原子核密集地出现在反应的空间,并且长时间保持这种状态不致四处逃逸。在发生核聚变的太阳内部,这两个条件都不成问题,太阳的质量比地球大33万倍,其巨大的引力可使参与聚变反应的原子核紧紧地团聚在一起,在巨大的空间范围同时发生核聚变,因而它很容易产生稳定的高温使这种反应持续进行。若在地球上做太阳里发生的事,对人类的能力是巨大的挑战。


  20世纪后半期以来,激光技术的进展使得人们可以利用超强激光束在很小的空间范围瞬间达到氘和氚发生聚变所需高温。在高温下,氘和氚迅速变成电子与原子核分离的一堆正负电荷混杂的粒子,人们称之为等离子体;还由于材料科学的进步,人们能够利用电阻几乎为零的超导体材料做成线圈,通过巨大的电流产生超强的磁场,使氘、氚原子核以及游离的电子无法外逃,使等离子体紧紧地约束在与容器内壁隔离的狭小空间,为核聚变创造必要的条件。沿着这个方向,人们正逐渐接近实现可控核聚变的目标。


  当能源危机一步一步逼近人类之时,核能使人们看到走出困境的希望。科学智慧有可能帮助人类获得这种永不枯竭的能源。然而人类亦需要更高的智慧涤荡笼罩世界的核战争阴云,使人类的未来宁静与和平。

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