愛(ài)因斯坦的能量魔術(shù)——核能

沈?qū)幦A

我們都喜歡看魔術(shù),無(wú)中生有“大變活人”是最吸引人的.如果有人說(shuō)他能用一個(gè)“蘋(píng)果”變出一座“小山”,你相信嗎?這是一個(gè)能源魔術(shù).

提起能源,還有一個(gè)驚人的消息,就是地球上蘊(yùn)藏的煤?石油等礦藏不久就將消耗殆盡.這個(gè)消息也許不新鮮了,但是,科學(xué)家是很認(rèn)真的,他們正在努力尋找新能源,很成功的一種新能源就是核能.小小的原子核在裂變反應(yīng)中所能釋放的能量竟比化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量約大5 000萬(wàn)倍!1 kg的鈾裂變所釋放的核能,相當(dāng)于2 500 t煤燃燒所得到能量,前者體積只是一個(gè)蘋(píng)果那樣大小,而后者可以堆成一座煤山,這真像一個(gè)魔術(shù).核能是一種干凈的能源,它不會(huì)像我們現(xiàn)在燃燒的化石燃料那樣向大氣中排放大量的“溫室氣體”二氧化碳及大量的煙塵,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞.

核能的問(wèn)世經(jīng)歷了100多年,開(kāi)始于對(duì)原子秘密的探索.19世紀(jì)末,英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子,法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾后來(lái)發(fā)現(xiàn)了放射性.1898年,居里夫人發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙,1902年,她經(jīng)過(guò)4年的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳,放射性顯示出核能的曙光.到了20世紀(jì)初,著名科學(xué)家愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表的“相對(duì)論”論文中推導(dǎo)出一個(gè)“奇怪的”公式——質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc²,式中c為光速(約3×10⁸ m / s),E為能量,m為轉(zhuǎn)換成能量的質(zhì)量.能量等于質(zhì)量乘以光速的平方.光速是一個(gè)極大的數(shù)值,所以只要有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量,就是一個(gè)驚人的數(shù)字.

看上去,這是一個(gè)形式上很簡(jiǎn)單的公式,但是很不好理解.大家都十分熟悉能量守恒和質(zhì)量守恒,而愛(ài)因斯坦卻與眾不同,他把質(zhì)量和能量連成一體來(lái)看,他告訴大家:質(zhì)量可以變成能量,能量也可以變成質(zhì)量.后來(lái),科學(xué)家在核反應(yīng)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)了“質(zhì)量虧損”.丟掉的質(zhì)量哪里去了?實(shí)驗(yàn)證明,變成了能量.如果這些能量釋放出來(lái),就是人們所說(shuō)的原子能或核能了.

1942年12月2日,著名科學(xué)家康普頓領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家終于把上述的“魔術(shù)”預(yù)言變成了事實(shí).他們?cè)诿绹?guó)芝加哥大學(xué)成功啟動(dòng)了世界上第一座核反應(yīng)堆.雖然第一座核反應(yīng)堆首次啟動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的功率僅能點(diǎn)亮一個(gè)0.5 W的燈泡,但標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了核能時(shí)代.一種通過(guò)原子核變化而產(chǎn)生的新能源從此誕生,這是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn).

目前,使用核能主要有兩種辦法.一種是將較重的原子核打破,使其分裂成兩半,同時(shí)釋放出大量的能量.轟擊原子核的子彈是中子,中子撞擊鈾原子核時(shí),一個(gè)鈾核吸收了一個(gè)中子而分裂成兩個(gè)較輕的原子核,此時(shí)發(fā)生質(zhì)量虧損(兩個(gè)較輕的原子核的總質(zhì)量小于原來(lái)鈾核的質(zhì)量),同時(shí)發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換,放出很大的能量,并產(chǎn)生2個(gè)或3個(gè)新的中子.它們作為新的子彈繼續(xù)轟擊其他的鈾原子核,反應(yīng)便可以不斷維持下去,稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng),這就是舉世聞名的“核裂變反應(yīng)”.現(xiàn)在世界各國(guó)所建造的核電站,原理都是核裂變反應(yīng),用于軍事上的原子彈爆炸,也是核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果.另一種核反應(yīng)是,將兩種較輕的原子核聚合成一個(gè)較重的原子核,核聚變又叫“熱核反應(yīng)”,它可以釋放出比核裂變反應(yīng)更多的能量,氫彈的原理就是熱核反應(yīng).地球上,核聚變的材料非常豐富,它是氫的同位素——氘.在地球上存在氘和氧組成的重水,重水主要存在于海水中,1 L海水中的重水含的氘通過(guò)核聚變釋放出的能量,相當(dāng)于300 L汽油完全燃燒釋放出的能量.全世界海水中所含的氘通過(guò)核聚變釋放出的聚變能,可供人類在很高的消費(fèi)水平下使用50億年.

對(duì)核能發(fā)電懷有恐懼心理是大可不必的.在核反應(yīng)堆中,科學(xué)家采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入的深淺來(lái)控制能量釋放的速率,使能量慢慢釋放出來(lái),而原子彈則是不受任何控制的瞬間爆炸.打個(gè)比方,核電廠像一位有經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀司機(jī)駕駛著一輛載重卡車,而原子彈則是一輛沒(méi)有剎車橫沖直撞的貨車,所以不是一碼事.核裂變反應(yīng)的過(guò)程中所釋放的大量核能,在反應(yīng)堆中大部分都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使反應(yīng)堆的溫度升高,這些熱能通過(guò)一定的方法又轉(zhuǎn)化成電能.在核反應(yīng)堆外面修建有很厚的水泥防護(hù)層,用來(lái)阻擋核反應(yīng)中產(chǎn)生的射線對(duì)人體的傷害.目前,科學(xué)家還沒(méi)有掌握可控制熱核反應(yīng)的成熟技術(shù),所以還不能應(yīng)用到發(fā)電上.

我國(guó)最早建成的是浙江省秦山(一期)核電站,它使中國(guó)成為繼美?英?法?蘇聯(lián)?加拿大和瑞典之后世界上第七個(gè)能自行設(shè)計(jì)?建造核電站的國(guó)家.

目前,我國(guó)正著手實(shí)施新的核能發(fā)展計(jì)劃.我們的目標(biāo)是:到2020年核能發(fā)電量將占整個(gè)發(fā)電量的6%,該水平是現(xiàn)有水平的三倍.

責(zé)任編輯 蔡華杰