二十世纪的核能之光

1942年12月2日，在美国芝加哥大学体育场西看台底下的一个网球厅内，著名科学家恩里科・费米领导一批科学家，聚精会神地操纵着一座由40吨天然铀短棒和385吨石墨砖构成的庞然大物。下午3点25分，启动运行成功。

这个庞然大物，就是世界上第一座人工核反应堆。虽然从反应堆发出的功率只有0．5瓦（后来达到200瓦），还不足点亮一盏灯，但其意义非同小可，它标志着人类从此进入了核能时代。核能是通过原子核发生反应而释放出的巨大能量。核能包括核裂变能与核聚变能两种。目前工业上大规模应用的是核裂变能。

电子是19世纪末英国物理学家汤姆逊发现的，质子是1914年物理学家卢瑟福发现的，中子是英国物理学家查德威克1932年在用氦原子核轰击铍原子发生的核反应中发现的。我国物理学家在粒子物理领域做出了重要贡献：赵忠尧发现了正反粒子湮没现象，张文裕首先观测到原子和介子辐射，王淦昌发现了反西格马负超子。

1896年，法国物理学家贝克勒尔通过大量实验，发现铀会无休止地放出看不见的神秘射线，铀所具有的这种神奇本领，就叫放射性。

放射性的发现，引起大科学家居里夫人的极大注意。她经过四年的苦战，终于在1902年，从几十吨沥青铀矿中提炼出了不到0．1克的另一种放射性元素镭。

天然放射性元素放出三种看不见的射线，它们是氦原子核射线；高能电子射线；高能光线射线。射线是可以防护的，对不同的射线可以采用不同的防护方法，例如用一张纸就可以挡住高能光线射线。

在居里夫人发现镭以后不久，物理学家卢瑟福就指出，放射性元素在释放看不见的射线后，会变成别的元素，在这个过程中，原子的质量会有所减轻。那么，这些失踪了的质量到哪里去了呢？大科学家爱因斯坦1905年在提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。两者之间有一定的定量关系：转化成的能量E等于损失的质量m乘以光速c的平方，E＝mc2。极小量的质量可以转化为极大的能量。当较重的原子核转变成较轻的原子核时会发生质量亏损，损失的质量转换成巨大的能量，这就是核能的本质。

1938年，德国科学家奥托・哈恩和他的助手斯特拉斯曼在法国科学家约里奥－居里夫人的实验基础上，发现了核裂变现象。他们发现，当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子。这就是举世闻名的核裂变反应。在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变，这样一代代传下去，像链条一样环环相扣，所以科学家将其命名为链式裂变反应。这一定的条件包括：第一，铀要达到一定的质量，叫做临界质量；第二，中子的能量要适当，一般是能量为0．025电子伏的“热中子”。

1946年，在法国居里实验室工作的我国科学家钱三强、何泽慧夫妇，发现了铀核的“三裂变”、“四裂变”现象，即铀原子核在中子的作用下，除了可以分裂为两个较轻的原子核外，还可以分裂为三个、甚至四个更轻的原子核，只是发生的可能性很小罢了。

只有铀－233、铀－235和钚－239这三种材料的原子核可以由“热中子”引起核裂变，它们称为易裂变材料，其中只有铀－235存在于自然界，铀－233、钚－239分别是由自然界中的钍－232、铀－238吸收（俘获）中子后生成的。在天然铀中，铀－235只占0．7％，剩余的99．3％几乎全是铀－238。

链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。如果加以人为的控制，在铀的周围放一些强烈吸收中子的“中子毒物”（主要是硼和镉），使一部分中子还没有被铀核吸收引起裂变，就先被“中子毒物”吸收了，这样就可以使核能缓慢地释放出来。实现这种过程的设备叫做核反应堆。

核能是20世纪出现的新能源，核科技的发展是人类科技发展史上的重大成就。核能的和平利用，对于缓解能源紧张、减轻环境污染具有重要的意义。我国十分重视核能的开发利用，在国家高技术研究发展计划（863计划）中，能源领域研制开发三种先进反应堆，它们是快中子堆、高温气冷堆、聚变－裂变混合堆。目前，核裂变能已经为人类提供了总能耗的6％。而当将来利用轻原子核的聚变反应产生的核聚变能得到工业应用后，人类将从根本上解决能源紧张的问题。核聚变能是两个轻原子核结合在一起时，由于发生质量亏损而放出的能量。核聚变的原料是海水中的氘（重氢）。早在1934年，物理学家卢瑟福、奥利芬特和哈尔特克就在静电加速器上用氘－氘反应制取了氚（超重氢），首次实现了聚变反应。尽管海水里的氘只占0．015％，但由于地球上有巨大数量的海水，每升海水中所含的氘通过核聚变反应产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量，所以可利用的核聚变材料几乎是取之不劲用之不竭的。这些氘通过核聚变释放的聚变能，可供人类在很高的消费水平下使用50亿年。而且，核聚变能是更为清洁的能源。当前，科学家正在为此而不懈地努力。