“内部”能量报告——裂变与聚变

“内部”能量报告——裂变与聚变

在人类刚刚迈入原子时代的时刻，就已经发现原子核中蕴藏的能量远超任何一种化学反应所能释放的能量。这个看似永不“熄灭”的能量之火，来源何处？这让人们不禁对能量守恒的信念产生了动摇。关于“内部”能量的故事，就从这个疑问开始。

今天，我们已经知道，核裂变是由一个重原子核分裂成两个或多个比较小的原子，核聚变则是由两个轻原子核合成一个比较重的原子。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分别称为核聚变能和核裂变能，它们的统称就是“核能”。讲述核能，就不得不提到一位科学巨匠——爱因斯坦（Albert Einstein）。在发现核裂变与核聚变会产生巨大能量之前，爱因斯坦以其天马行空的想象，提出了质能转换方程：

E=mc2

其中，E表示能量，单位为焦耳（J）；m代表质量，单位为千克（kg）；c表示真空中的光速，作为一个常量，数值为299792458米/秒。这一方程将质量与能量这一对经典物理学中两个完全不同的概念建立了联系。而其衍生公式：

ΔE=Δmc2

则用来解释核反应中的质量亏损和能量产生，成为核电领域的根本遵循。

核裂变的发现者是几位德国柏林威廉皇帝研究所的研究员。莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥多·哈恩（Otto Hahn）通过一系列实验发现，质子的增加会使得铀原子核变得很不稳定，从而发生分裂。于是他们在1938年设计了一个新的实验，使用游离的质子轰击放射性铀，每个铀原子都分裂成了两部分，生成了钡和氪，这个过程还释放出巨大的能量，由此迈特纳发现了核裂变的过程。

物理学家爱因斯坦

莉泽·迈特纳和奥多·哈恩

澳大利亚科学家马克·欧力峰

(https://www.daowen.com)

美国物理学家汉斯·贝特

4年之后，1942年12月2日下午2时20分，费米扳动开关，几百个吸收中子的镉控制棒从石墨块和数吨氧化铀小球垒成的反应堆中抽出。在芝加哥大学斯塔格球场（Stagg Field）西看台下，一个废弃网球场内堆放的4.2万个石墨块，正是世界上第一个核反应堆，更是迈特纳发现的产物。关于这些石墨块和氧化铀小球的精彩故事，且听后文娓娓道来。

核聚变则是于1932年由澳大利亚科学家马克·欧力峰（Mark Oliphant）所发现的。在1939年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）通过实验证实了核聚变反应，他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，会使两个原子核发生融合，形成一个新的氦原子核和一个自由中子，并且过程中释放出了17.6MeV（兆电子伏）的能量。

核聚变在宇宙中最为常见。东升西落的太阳和夜空中闪闪星光，它们正代表了绝大多数在遥远距离之外发生着剧烈聚变反应的恒星。人类想要掌握铸造星辉的力量，还有很长的路要走。核聚变产生的总能量远超核裂变，却极难控制，而核裂变反应作为现在人类可以掌控的核能，优点和缺点同样显而易见。稳定可控的优点自不必说，缺点则首先表现在核裂变所需的铀在地球上蕴含量相对较少，其开采、加工工艺复杂，过程中容易产生化学和放射性污染，最后核裂变产生的废料也非常难以处理。相对而言，核聚变所产生的放射性废物比核裂变少很多，且其燃料也是取之不尽的。因而，攻克可控核聚变这一历史难题，对人类的发展具有无可估量的意义与作用。

核裂变原理

爆炸VS核能，能量超乎你想象

1863年，德国化学家威尔伯兰德（Julius Wilbrand）制成三硝基甲苯，即“黄色炸药”，又称TNT。而此时，人类尚不能真正稳定驾驭爆炸的力量，距离“炸药大王”诺贝尔用硅藻土制成“安全炸药”还有三年。

1千克TNT爆炸可以释放出4.19兆焦的能量，TNT爆炸的能量并不算大，一千克煤燃烧尚且能释放出29.27兆焦的能量，是1千克TNT爆炸产生能量的7倍之多。

1千克铀-235全部裂变时释放的能量约为83.14太焦，1千克钚-239全部裂变时释放的能量约为83.61太焦，都接近2万吨TNT当量，相当于2700吨煤的能量。1千克氘化锂-6完全聚变释放的能量约为260太焦，相当于约6万吨TNT当量。

在小小原子所蕴藏的巨大能量面前，“TNT当量”也只能充当“背景板”，所以核武器的威力单位采用“TNT当量”，也就是释放相同能量的TNT炸药量来表示。

在了解过自然界中这些奇妙的物理与化学现象之后，20世纪初的科学家们不禁想到，能不能发明一种装置，在安全可控的情况下进行裂变或聚变反应，并且把这些能量收集起来为人所用呢？

现在我们当然知道，这种装置就是今天说到的核反应堆。那么，为什么要把发生核反应的地方叫做“堆”呢？