放射化學在核能發(fā)展中的貢獻
——專訪王方定院士

本刊記者 衛(wèi)廣剛 李照煦

放射化學在核能發(fā)展中的貢獻
——專訪王方定院士

本刊記者 衛(wèi)廣剛 李照煦

The contribution of radiation chemistry in the development of nuclear energy——Special interview with academician WANG Fangding

編者按：放射化學在核能的發(fā)現(xiàn)、應用和發(fā)展中都有著十分重要、不可替代的作用。核能發(fā)展的歷史經(jīng)驗告訴人們：放射化學在認識核科學規(guī)律和實現(xiàn)核科學技術應用中是不可缺少的重要學科。尤其當研究工作從實驗室研究發(fā)展到實際應用時，更是遇到許多放射化學的問題。本刊記者就放射化學在核能發(fā)展中的貢獻專訪了王方定院士。

《中國核電》：請您談談放射化學在核能發(fā)展歷史中的貢獻。

王方定：放射化學這一名稱是由卡梅倫在1910年提出的。當時的意義是指：放射化學的任務是研究放射性元素及其衰變產(chǎn)物的化學性質和屬性。這一定義反映了放射化學發(fā)展初期的研究對象僅限于3個天然放射性系列。到20世紀30年代以后，人工放射性和原子核裂變的發(fā)現(xiàn)、加速器和反應堆的建立，對放射化學的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響，使放射化學的內容不斷充實和發(fā)展，擴展到有關核過程多方面的研究。為了能更全面地反映這門學科的內涵，人們現(xiàn)在采用“核化學與放射化學”這個比較長的名詞來概括這個領域，簡稱“放射化學”。

放射化學與核物理的關系十分密切。尤其在核科學發(fā)展的早期，兩者并沒有分割。同一位科學家常常需要從事物理和化學兩方面的研究工作，才能解決他們感興趣的問題。在兩門學科的交叉中，發(fā)展出了核化學與放射化學這門學科。它一登上歷史舞臺就為核科學發(fā)展作出了重大貢獻。在發(fā)現(xiàn)放射性變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新元素，發(fā)現(xiàn)新同位素，發(fā)現(xiàn)核裂變和核技術的應用等方面，先后有5位化學家和5位物理學家獲得諾貝爾化學獎。下面談談放射化學在發(fā)現(xiàn)核能的基礎——核裂變過程中所作出的貢獻。

發(fā)現(xiàn)放射性后，人們就開始思考原子是否能提供能量的問題。原子自發(fā)地發(fā)射帶電粒子，產(chǎn)生電離現(xiàn)象且使照相底片感光，一定是有能量的。居里夫婦于1902年提出：“每一個放射性原子，都是恒定的能源”。當時，所研究的對象都是長壽命天然放射性物質，所以認為是“恒定的”。

愛因斯坦能量-質量關系可以解釋放射性能量的來源。放射性釋放的能量=母體原子質量-（子體原子質量+釋放出的原子質量）。1905年，他曾提出研究放射性可能檢驗質-能方程。8年以后，德國的斯溫曾想過準確測定放射性元素的原子重量可以證明質能關系。可惜因質量變化太小未能如愿進行。

質能關系啟發(fā)了對原子能來源的科學思想。美國的哈金斯等于1915年提出了他們討論的假說，即所有原子都由氫，即等量的質子和電子構成，原子在達到穩(wěn)定的同時損失了質量，釋放出相應的能量。4克原子氫生成1克原子氦時，釋放的能量為1012卡，比通?；瘜W反應的能量大百萬倍以上。

20世紀30年代，建設了多種加速器。發(fā)現(xiàn)了釋放大量能量的核反應。與只有重元素才具有的放射性比較，它的優(yōu)點是可控而釋放的。但是這離實際使用還有很大距離。雖然氘擊打鋰釋放的能量為22.5 MeV，但每108個能量為2 MeV氘才能引起一次反應，實際提供的能量遠大于獲得的能量，是得不償失的。

可見，直到1939年前，歐洲和美國的核科學家們對于原子能實際應用的前景并不樂觀。核裂變，這一釋放大量能量現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，一夜之間使情況發(fā)生了劃時代的變化。當然，僅是裂變本身尚不足以解決應用核能的問題。它同時還得釋放出使其能自持反應的中子，才能發(fā)生鏈式反應，使能量得以源源不斷地提供，成為一種實用的能源。

1932年發(fā)現(xiàn)中子后，許多實驗室用中子打靶尋找新元素。1934年，費米在研究中子引發(fā)的核反應時報導說：當鈾被慢中子轟擊后，至少探測到四種半衰期不同的β放射性。他假設其中之一是238U（n，γ）所產(chǎn)生的239U發(fā)出的。而239U經(jīng)β衰變生成93號元素。這樣連續(xù)進行β衰變，就產(chǎn)生94、95…號元素。他將這些“元素”命名為超鈾元素。

當費米等人宣布證明了超鈾元素存在時，發(fā)現(xiàn)錸（Re）的德國女化學家諾達克發(fā)表了題為《論93號元素》的文章。文章不同意費米的觀點。她認為：“這種中子引起的新型的核衰變，與質子或α引起的核反應不同，是發(fā)生了一種重要的新的核反應。可以想象當中子轟擊重核時，核分裂成幾片大碎片，這些碎片都是已知元素的同位素，而不是被轟擊元素的近鄰元素”。但是當時因為普遍認為由于庫侖位壘作用，帶電粒子的穿透性很小，所以短時間內大量帶電粒子的發(fā)射是不可能的。因此許多科學家接受了費米的觀點，并對這些位于周期表鈾以外的“新元素”的鑒定發(fā)生興趣。其中著名的學者有：德國的哈恩和梅特納、法國的約里奧-居里夫婦。他們都用載體技術進行研究。

1938年，德國化學家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)表了用鋇、鑭做載體的實驗結果。他們用Rn-Be中子源產(chǎn)生的中子轟擊鈾后，在與載體鋇共沉淀的物質中，先后發(fā)現(xiàn)了4種不同的放射性。他們認為這些首先被載帶的放射性物質應當是與鋇同屬一族的鐳的同位素。估計應當是：92U（n，2α）、88Ra反應生成的鐳的同位素，然后，放置的鐳經(jīng)過β衰變，加入鑭做載體，共沉淀下來的放射性物質是原子序數(shù)89的錒的同位素。這似乎也證實中子轟擊所生成的物質的確是鐳。

與此同時，約里奧-居里夫人仔細地研究了中子轟擊鈾后生成的半衰期為3.5 h的產(chǎn)物，并命名為R3.5。她發(fā)現(xiàn)用草酸從硝酸溶液中進行分步沉淀時（老居里夫人曾用以分離鐳-鋇的方法），這個被哈恩認為是錒的同位素的R3.5卻濃集在鑭而不是在錒餾分（227Ac是235U天然放射性系列的子體，可用作指示劑）。因此，R3.5不可能是錒的同位素?？墒牵捎谒膶嶒炓肓穗s質，導致她誤以為R3.5可以與鑭分開。沒有得到R3.5是鑭的同位素的結果。當哈恩讀到這篇文章時，他認為那是不可能的。但是哈恩得出了明確的結論：如果錒變成了鑭，那么鐳就應當是鋇。

這促使哈恩進一步研究他們認為是鐳的同位素究竟是鐳還是鋇的同位素。繼續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)所得的放射性物質能與鐳的一種同位素新釷（228Ra）分離而不能與鋇分離。1939年1月，他在文章中寫道：“我們的結果是：我們所得的鐳同位素具有鋇的性質”，“作為一個化學家，我們要用Ba、La、Ce來代替Ra、Ac、Th，但是作為一個與物理有關的放射化學家，我們不能這么說。因為它與之前核物理所做的實驗相矛盾”。于是，他們重新審視過去工作的結果。發(fā)現(xiàn)他們還曾經(jīng)得到過一種性質似錸的“超鈾元素”，并曾將之設定為比錸高一個周期的元素?，F(xiàn)在假設鐳變成了鋇，那么這個元素也應當相應地回落一個周期到原子序為43的元素（后來人們知道這個元素是自然界并不存在的锝）。鋇和43號元素的質量數(shù)可以是138和101。138+101=239，正好是238U與中子質量數(shù)之和。這是一種前所未見的核反應：中子引起的、把鈾原子核劈成兩半的反應。

曾和哈恩同在柏林一起工作過的梅特納，提出了中子與鈾相互作用的解釋。1939年1月，她在自然雜志（Nature）上發(fā)表了一封信。信中說：“初看這一結果似乎很難理解。以前曾有人認為生成了遠比鈾質量小的元素，但是在沒有明確的化學證明之前，總不被物理學界承認?，F(xiàn)在看來，鈾核的形狀穩(wěn)定性很差，在俘獲中子后，自己分裂成大小大致相同的兩個核”。這個現(xiàn)象稱為裂變。如果發(fā)生的是裂變，就可以解釋生成了鋇和鑭。接著梅特納又提出：由于裂變產(chǎn)物的中子-質子比高，所以裂變碎片極不穩(wěn)定而進行一系列β衰變。這些衰變產(chǎn)物被誤認作超鈾元素。

放射化學方法鑒定出鋇是反應產(chǎn)物，是證明核裂變概念的核心。以后用其他方法也進一步驗證了裂變現(xiàn)象。正如梅特納所預言的：裂變伴隨著釋放大量能量。裂變碎片高速飛出，在他們飛行的途徑上產(chǎn)生電離。很快就成功地用電離室和放大器證明：中子轟擊鈾后，釋放出具強電離能力的粒子，證實了梅特納的理論。

裂變反應以其釋放巨大能量而著稱。梅特納的估計及實驗結果知道鈾裂變產(chǎn)生能量約為200 MeV。即所釋放的能量為反應粒子質量與生成粒子質量之差。從此，核能在軍事上得到應用，成為重要的產(chǎn)業(yè)。

放射性同位素生產(chǎn)線

《中國核電》：請您談談放射化學的最新進展和我國核能的發(fā)展前景。

王方定：放射化學發(fā)展到今天，已經(jīng)不僅僅是一門獨立的學科，它與原子核物理學、分離過程化學、輻射測量、輻射防護、輻射化學、同位素化學及應用、放射性廢物處理、核燃料后處理工藝學、核化學工程、錒系元素化學等學科都有關聯(lián)。它主要的研究應用領域包括：核燃料循環(huán)、核物理、放射性、核反應、核能的生產(chǎn)與利用、鑭系元素與錒系元素的化學性質、溶劑萃取、離子交換、壓水堆的一些化學問題、核燃料循環(huán)化學、同位素的應用、輻射防護等；此外，生物學、醫(yī)學、地球與空間科學等領域中也涉及放射化學問題。

核能，尤其是核電，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，無論安全性，還是經(jīng)濟性，都得到了很大的改進，可以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。我國目前正積極發(fā)展核電建設，這是調整我國能源結構的重要方式之一。對于我國來說，應該主要建造世界上已標準化的，成熟的第二代（或二代改進型）核電站，逐步向第三代、第四代核電發(fā)展。要確?，F(xiàn)有核電站安全穩(wěn)定運行，提高功率，增加效益和延長壽期；要由第二代核電站逐步向第三代核電站過渡；在研究開發(fā)第四代核電站的同時，研究開發(fā)與快中子增殖堆相匹配的先進核燃料循環(huán)技術。核能可持續(xù)發(fā)展的目標是：燃料的有效利用，廢物的最小化；安全、可靠，無放射性廠外釋放，不需廠外應急；經(jīng)濟性好，壽命周期長，成本優(yōu)于其他能源。

《中國核電》：請您對從事放射化學的青年科技工作者提幾點建議。

王方定：首先，核工業(yè)體系中，放射化學研究的特點是要與生產(chǎn)實踐相結合。這不但是我們多年來的優(yōu)良傳統(tǒng)，而且是我們今后必須堅持的方向。離開了這個方向，也就保不住放射化學的繼續(xù)發(fā)展。這就要求青年科技工作者在工作中永遠不滿現(xiàn)狀，時時聯(lián)系到生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，不拘泥于前人走過的道路，大膽提出新的想法和題目。創(chuàng)造性來源于實踐，來源于深思熟慮的腦力勞動和不屈不撓的堅持。不是脫離實際，坐在辦公室里拍拍腦袋就能出來的。

其次，要加強核化學與放射化學基礎知識學習，才能適應我們所處位置的需要。這方面過去我們是有缺陷的。因為我們易于受到所研究課題的影響，局限于個人所從事具體題目的小圈子里。而科研生產(chǎn)實踐要求我們有一定的技術儲備，能迅速接受新任務；有廣闊的學科眼界，能參加到有關問題的探討中。例如對放射性核素半衰期問題的討論，我們首先要有迅速的判斷力。這就要對核過程與環(huán)境關系有基本的了解，而不是簡單地憑經(jīng)驗去判斷是非。

第三，要隨時關心有關學科的進展，擴大知識領域，從本專業(yè)的角度去考慮交叉接口學科的問題。我們在長期發(fā)展中一條重要的經(jīng)驗就是集多種專業(yè)去攻克一個問題，往往能收到事半功倍的效果。這要從了解相關學科開始：積極參加學術活動；走訪、了解其他學科；廣泛閱讀文獻資料都是可行的方法。如當今人們對生態(tài)、環(huán)境越來越重視，關心的人群越來越廣。提前思考眼下能夠被接受的廢物處理方法是否恰當，可能就孕育著新的研究課題。在科學技術上不為自己辯護，而是自己找差距，往往是創(chuàng)新題目的來源。

第四，要珍惜已經(jīng)取得的成果，對其研究要更加深入和系統(tǒng)。如鈾、镎、钚、镅、鋦是我們研究得最多的五個超鈾元素。并且為武器研究需要提供了重要原料。但是，我們尚沒有像研究鑭系元素那樣把從錒到鐒的5f電子層元素做系統(tǒng)的研究。對這方面進行系統(tǒng)研究，了解它們之間的異同和關系，對實踐（釷、鈾、镎、钚、镅、鋦、锎都是有實際應用價值的元素）有重大意義。同時，也能帶動這門學科，發(fā)揮放射化學學科的專長，往周期表的深處延伸，預測它們的化學性質。

王方定院士簡介：

王方定，中國科學院院士，1928年12月21日生于遼寧省沈陽市，1953年畢業(yè)于四川化工學院化學工程系，中國原子能科學研究院研究員。早期參加我國鈾礦石的分析、處理研究；1958年開始從事核武器研制中的放射化學工作，研制了用于引發(fā)原子彈鏈式核反應的中子源材料，并用于核武器的點火部件；參加創(chuàng)建了核試驗的放射化學診斷方法，并多次用于實踐，如裂變燃耗的診斷方法等；20世紀80年代開展了多價態(tài)裂變產(chǎn)物化學狀態(tài)和自發(fā)裂變電荷分布的研究，近年來從事核燃料后處理中長壽命裂變產(chǎn)物元素的化學及工藝研究。