1.4.3 原子核的裂变与聚变
1932年，查德威克发现中子后，人们了解到原子核由质子、中子组成。用中子束辐照重元素以找寻元素周期表中更重的新元素的工作激发了科学家们的很大热情。在自然界存在的元素中，当时人们知道的原子序数最大的是铀，Z=92。有人设想，用中子轰击铀，铀吸收中子经（n，γ）反应生成丰中子的新核素，再经β-衰变就能产生第93号元素。如果再经多次接连β-衰变，还可以产生原子序数更高的新元素。Z＞92的元素统称超铀元素。由此看来，用中子轰击重元素似乎是产生新超铀元素的一个途径。用中子束辐照天然铀产生了很多种放射性核素，但是这些放射性核素到底是什么呢？
1938年，哈恩和斯特拉斯曼用放射化学的方法发现，在中子束辐照铀产生的放射性产物中具有钡（Z=56）和镧（Z=57）的放射性同位素，从而认识到中子轰击铀、钍等一些重原子核可以分裂成质量差不多的两个原子核。重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为原子核裂变。原子核的转换方式除了以前讨论过的核衰变和核反应外，还有核裂变。通常，重核分裂为两个碎片的情形称为二分裂变；重核分裂成三块或四块碎片的情形分别称为三分裂变和四分裂变。1947年，钱三强、何泽慧等首先观察到中子轰击铀核时的三分裂变，三分裂变常是两个大一些的碎片和一个α粒子。此种α粒子有较大的能量，α粒子飞行方向倾向于与另两个碎片飞行方向垂直。三分裂变比二分裂变罕见，两者出现的概率之比大约是3∶1 000。四分裂变就更少了。因此，原子核裂变一般指二分裂变。
类似于放射性衰变，自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变。中等质量核的比结合能比重核的大，因此裂变会有能量放出。仔细研究比结合能曲线发现，对于不特别重的核，例如A＞90，核裂变从能量方面考虑就可能发生。就是说，如果A＞90的原子核能发生裂变，也会放出能量。但是，实验发现很重的核才能自发裂变。由此可见，有能量放出只是原子核自发裂变的必要条件，具有一定大小的裂变概率，才能在实验上观测到裂变事件。
很重的原子核大多具有α放射性。自发裂变和α衰变是重核衰变的两种不同方式，两者有竞争。对于Z＞92的核素，自发裂变比起α衰变可以忽略。252 Cf能自发裂变也可以发生α衰变，自发裂变分支比约占3%。252 Cf是重要的自发裂变源和中子源。254 Cf的自发裂变分支比是99.7%，裂变是主要的衰变方式。一般地说，较轻的锕系核素自发裂变半衰期都比较长。
除了自发裂变，在外来粒子轰击下，重原子核也会发生裂变，这种裂变称为诱发裂变，它可以当作核反应的一个反应道，并记作A（a，f）。其中，a表示入射粒子，A表示靶核，f表示裂变，诱发裂变现象也说明裂变势垒的存在。发生裂变的核素称为裂变核。对于诱发裂变，入射粒子与靶核组成的复合核才是裂变核。当裂变核的激发能超过裂变势垒的高度时，裂变概率就显著地增大。
在诱发裂变中，中子诱发的裂变最重要，研究得也最多。由于中子和靶核的作用没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进入核内使核激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，因而可能形成链式反应，这也是中子诱发裂变更受重视的原因。
易裂变物质，如235 U吸收一个慢中子后发生裂变，裂变中子又可以引起易裂变核产生新的核裂变。这样一个使裂变反应持续进行下去的反应过程称为链式反应。(https://www.daowen.com)
产生链式反应最基本的条件为：当一个核吸收一个中子发生裂变，而裂变释放的中子中平均至少有一个中子能又一次引起裂变。如果平均不到一个中子能引起裂变，则链式反应逐渐停止；平均超过一个中子引起裂变，链式反应就会不断增强。因此，只有满足一定条件的体系才能实现链式反应。例如，在一块纯的天然金属铀中就不会发生链式反应。这是因为天然铀中主要是238 U（占99.3%），只有能量在1 MeV以上的中子才能引起238 U裂变。而裂变中子经过非弹性散射，很快地能量就降到1 Me V以下。235 U的热中子裂变截面虽然很大，但是在碰撞减速过程中，绝大部分中子都会被吸收，能引起238 U裂变的概率非常小。因此，在这种体系中不能发生裂变链式反应。又如，在纯粹的235 U体系中，若其体积很小，则裂变中子大部分逸出体外，也不能实现链式反应；若其体积很大时，大部分中子能再引起裂变，那么链式反应又会进行得十分剧烈，变成核爆炸。由此可见，要实现可控制的链式反应需要一种适当的装置，这种装置称为核裂变反应堆，简称反应堆。
根据引起裂变的中子能量，反应堆可分为热中子反应堆和快中子反应堆。前者主要利用235 U热中子裂变截面很大的特点。如果将裂变中子的能量在吸收很弱的介质（称为减速剂）中迅速降到热能，则由于235 U热中子裂变截面比238 U的吸收截面大得多，可以用天然铀或低浓缩铀来实现链式反应。这种反应堆称热中子反应堆。若是用高度浓缩的235 U或239 Pu作为核燃料，就不必依赖于热中子引起裂变，这种反应堆中没有专门的减速剂，引起裂变的中子主要是能量较高的中子，因此称为快中子反应堆。到目前为止，用于发电的反应堆主要是热中子反应堆。
反应堆要保持链式反应，但又不能使链式反应剧烈到不可收拾的地步，这就存在着反应堆控制的问题。反应堆的控制主要是调节反应堆里的中子密度，改变反应速度。将热中子吸收截面很大的镉（Cd）或硼（B）做成柱形的棒作为控制棒，由控制棒插入活性区的多少，调节中子密度的变化。将控制棒完全插入反应堆的活性区，使中子密度迅速地下降，就可以使链式反应停止。反应堆的中子通量监测装置，能自动调节控制棒的升降，这就可以自动调节反应速度，使反应堆保持所需要的链式反应速度。
一般地说，利用原子核反应所释放的能量作为能源就称为核能源。目前已经应用的只有裂变这一种核能源，并且由于很多技术上的困难，人们预测在近几十年中最主要的核能源还是裂变能源。截止至2019年初，国际原子能机构报告称，全球有454座核动力反应堆和226座核研究反应堆在运行。利用裂变反应堆作为能源，要特别注意安全问题，以防止发生释放大量放射性物质，危害工作人员及居民的事故。应该指出，由于核工程技术人员和管理人员对安全问题的重视，到目前为止已经运行的核电站极少发生严重的放射性逸出事故。但是，由于一旦发生重大事故，后果十分严重，因而安全问题始终是核能利用中要特别注意的头等重要的问题。其次是放射性废物的处理问题。对于建立个别的反应堆或核电站，这个问题并不严重，但是，从长远的观点来看，在核电站大量发展的情况下，放射性废物的处理问题就变得严重起来，目前已受到各核能利用较多的国家的重视。关于核能利用的另一个重要问题是核燃料的再生问题。天然的核燃料主要是235 U，这是天然铀中含量极少的一种核素。而自然界大量的238 U和232 Th吸收中子经过两次β-衰变后分别转变成239 Pu和233 U，这两种核素都是很好的核燃料。因此，利用反应堆中的中子还可以产生核燃料。这种过程称为核燃料的再生。从燃料经济的观点看，如何能使反应堆中再生的燃料超过消耗的燃料是核燃料循环中一个重大的问题。这也是目前核能发展中的一个重要技术问题。不少国家都在进行这方面的研究工作。
核能利用虽然是建造反应堆的主要目的，但不是唯一的目的。人们还在为其他目的建造各种不同的反应堆，如生产堆，着重用来生产239 Pu，这种堆主要采用天然铀热中子反应堆。还有的反应堆专门设计用来生产超铀元素，如252 Cf，或者其他放射性核素。也有一种中子注量特别高的材料试验堆，专门用来研究和检验反应堆的燃料元件和结构材料的抗辐照性能。最后还应指出，反应堆能提供强中子源和强γ辐射源，它是开展原子核物理、固体物理、辐射化学和放射生物学研究的重要设备。对于大规模推广核技术的应用，反应堆也是不可缺少的设备。
当我们查看轻原子核的结合能时，发现其比结合能有高有低。总的来说，它们都比中、重核平均比结合能8.4 Me V低，特别值得注意的是最前面的几个核的比结合能特别低。氘的比结合能为1.112 MeV，氦的比结合能是7.075 MeV。因此，当四个氢或两个氘结合成一个氦时，会放出很大的能量，分别为每核子7 Me V和6 Me V。这种轻原子核聚合成较重原子核的核反应称为核聚变反应，简称为核聚变。一般说来，轻原子核聚变比重原子核裂变放出更大的比结合能。现在人们已经知道，宇宙中能量的主要来源就是原子核的聚变，太阳和宇宙中的其他大量恒星能长时间发热、发光，都是由于轻核聚变。
随着人类社会的发展，人们对能源的需求已越来越大。现有能源的存储量估计可能偏低，目前还在不断地发现新的矿藏。就算存储量再提高一倍，这个数字也是很有限的。因此，随着能量消耗量的增加，寻找新能源已引发人们的极大关切。1 L海水所含的氘的聚变能相当于400 L石油燃烧时所产生的能量，这样从海水中提取氘，由它聚变所放出的总能量估计可达到5×1031 J。因此，核聚变是一个很重要的潜在能源。