什么是核裂变

什么是核裂变

自从30年代中期开始，法国、德国和意大利各国的著名物理学家相互之间便展开了研究如何分裂重原子方面的角逐。宣告这场比赛正式开始的是著名的法国物理化学学家弗雷德里克·约里奥一居里，他在因发现人工放射性而破授予1935的诺贝尔化学奖（和他的妻子，伊雷娜·约里奥-居里-起）时，宣布说，爆炸原子核链式反应将释放巨大的可用能量。 在柏林，由奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼和利斯·迈特纳这三位著名的德国、奥地利学者组成的研究小组开始用中子撞击铀原子，按照业已形成的思路，他们期望这个过程能产生类似铀的放射性重元素--这是意大利物理学家、罗马大学的恩里科·费米在类似的实验中假想的结果。然而，在1938年底，奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼（利斯·迈特纳因为是奥地利籍的犹太人，在希特勒侵入奥地利后逃到了瑞典）却惊异地发现对铀的撞击 产生了名为钡的放射性轻元素。 哈恩和施特拉斯曼把结果发送给在斯德哥尔摩的迈特纳。在那儿，她和她的外甥、物理学家奥托·弗里施试图解开这个谜。他们得出结论说铀原子核没有像预料的那样发射出粒子或粒子束，而是被加长，形成了一个腰，然后断裂成两个几乎相等但比原原子核轻得多的碎片，它们的总质量小于最初的铀原子核质量，其间相差的质量转化成了能量。 迈特纳给这个过程取名为裂变。约里奥-居里进一步发现铀的裂变释放出多余的中子，能够用来依次分裂别的铀原子。这为原子弹的理论依据--爆炸链式反应打下了基础。 战争期间，奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼一直留在德国。哈恩于1945年春季破盟军逮捕。被拘留在英国时，他得悉自己获得了1944年的诺贝尔化学奖。到了受奖时，他得知裂变装置对广岛、长崎的毁灭负有不可推卸的责任，因而深为苦恼，他也不再因自己的科学成就而踌躇满志。战后，一直心感负疚的奥托·哈恩成为核武器控制运动的主要倡导者。 核裂变和核聚变 核能是能源家族的新成员，它包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素？？氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了150亿年。氘在地球的海水中藏量丰富，多达40万亿吨，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。也就是说，聚变堆是次临界堆，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故，它是安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是为什么世界各国，尤其是发达国家不遗余力，竞相研究、开发聚变能的原因所在。 其实，人类已经实现了氘氚核聚变？？氢弹暴炸，但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，人类需要的是实现受控核聚变，以解决能源危机。聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难，真正建造商用聚变堆要等到21世纪中叶。作为21世纪理想的换代新能源，核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区有特别重要的战略意义。 受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。 受控热核聚变能研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-supra体积是HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5x10的19次方，放电时间是热能约束时间的数百倍。 重水是什么？ 水在电流的作用下，能分解成氢气和氧气。但是在电解水的过程中，有一个奇怪的现象，就是电解到最后，总剩下少量的水，无论怎样都不能再分解了。直到1932年，美国物理学家尤雷用光谱分析发现了重氢，人们才搞清楚，这难以电解的水，原来是由重氢和氧组成的。 普通的氢原子也叫氕，它的原子核就含一个质子，无中子，相对原子质量为1。氕与氧结合，成为普通的水，它的相对分子质量为18。重氢又叫氘，这个字在希腊语里是“第二”的意思。氘的原子核比普通的氢原子核多一个中子，故相对原子质量为2。氘与氧的化合物也是水，不过它的相对分子质量为20，比普通水重百分之十，所以叫重水。 为什么有那么多国家的科学家这样重视重水呢?因为重水有一个重要的特性，它在原子核反应堆里能降低中子的速度，又几乎不吸收中子，是最好的中子减速剂。只有经过减速以后的中子，才能有效地使铀235发生裂变，促使核裂变反应能够不断地进行。当时，有些国家在设法制造原子弹，没有中子减速剂就不能进行原子裂变的试验。 可是，制取重水又非常困难，因为它在水中的含量只占万分之一点五，平均大约每七吨水里，才有一千克的重水。要是采用电解的方法制取这一千克重水，就得消耗六万度的电，比熔炼一吨铝还大三倍。难怪重水这么宝贵，价值千金！ 虽然重水总混杂在普通的水中，它们像一对孪生兄弟，很难分开，可是彼此的性质却又相差很远。 比如：普通水是0℃结冰，重水在3．82℃时变成冰；普通水在100℃沸腾，而重水的沸点是101．42℃。利用它们的沸点不同的特性，我们也可以用反复蒸馏的方法来制取重水。 在重水里，物质的溶解度比在普通水里小得多，许多化学反应的速度也要慢得多。声音在重水里的传播速度也比在普通水里要慢一些。