淺談核物理研究在能源開發(fā)中的重要作用

王群

[關(guān)鍵詞]原子核物理；裂變；聚變；核能；核輻射；能源開發(fā)

隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開始進(jìn)入了微觀領(lǐng)域，人們已經(jīng)在這方面取得了重大的進(jìn)展，特別是物理學(xué)中，建立了研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支學(xué)科，即原子物理、原子核物理和粒子物理；發(fā)現(xiàn)了微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，創(chuàng)造了量子力學(xué)和量子場(chǎng)論；原子能的釋放，為人類社會(huì)提供了一種新能源，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)入原子能時(shí)代。在能源緊張的情況下，核物理的研究更具備重要意義。核物理是國際上競(jìng)爭(zhēng)十分劇烈的科技領(lǐng)域，各國都投入大量人力物力從事這方面的研究工作。

一、原子能發(fā)展的歷史

(一)原子能的發(fā)現(xiàn)與它產(chǎn)生的能量

1896年法國科學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性。自鈾的放射性被發(fā)現(xiàn)以來，核能與核技術(shù)的發(fā)展十分迅速。鈾235裂變后，除產(chǎn)生很強(qiáng)的放射線，釋放出大量中子外，還要釋放出巨大能量。1905年，德國物理學(xué)家愛因斯坦在狹義相對(duì)論中提出了一個(gè)著名的質(zhì)能公式E=mc2。這個(gè)公式說明，任何物質(zhì)都有質(zhì)量，也有相當(dāng)?shù)哪芰?。物質(zhì)的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)換成巨大的能量，其大小是質(zhì)量乘以光速的平方。當(dāng)時(shí)沒有人意識(shí)到，這個(gè)質(zhì)能公式為核裂變、核聚變奠定了理論基礎(chǔ)。

（二）核能的產(chǎn)生與應(yīng)用

原子能即核能，它來自于原子核。核能的產(chǎn)生有兩種途徑：一種是原子核裂變時(shí)會(huì)釋放出巨大的能量。中子轟擊鈾的產(chǎn)物中會(huì)出現(xiàn)中等質(zhì)量的原子核。另一種是原子核聚變時(shí)也會(huì)釋放出巨大的能量。當(dāng)四個(gè)氫或兩個(gè)氘結(jié)合成一個(gè)氦時(shí)，會(huì)放出很大的能量，這種輕原子核聚合成較重原子核的現(xiàn)象稱為原子核聚變。在宇宙中能量的主要來源就是原子核的聚變，即熾熱的太陽和宇宙中的其他大量恒星，能長時(shí)間發(fā)熱、發(fā)光，能量都是由于輕核聚變的結(jié)果，因?yàn)樘柡秃阈侵写嬖诘闹饕厥菤洹?/p>

核電站和原子彈是核裂變能的兩大應(yīng)用，兩者機(jī)制上的差異主要在于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度是否受到控制。核電站的關(guān)鍵設(shè)備是核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆有多種類型，它相當(dāng)于火電站的鍋爐，受控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就在這里進(jìn)行。

二、原子能的特點(diǎn)和意義

（一）核能能量密度大

從下面核能與化學(xué)能的比較我們可以很清楚地看到它們之間的差距。

裂變 1千克鈾-235放出熱量 19 600 000 000千卡

燃燒1千克標(biāo)準(zhǔn)煤放出熱量

7 000千卡

燃燒1升重油放出熱量9 900千卡

燃燒1立方米天然氣放出熱量

9 800千卡

同一質(zhì)量下,核能比化學(xué)能大幾百萬倍。從上述數(shù)據(jù)中，我們可以看到，1千克鈾-235放出熱量相當(dāng)于燃燒約2 700噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

（二）核能反應(yīng)速率快

從原子彈的爆炸我們就可以領(lǐng)教核能的反應(yīng)速度。1945年在日本廣島、長崎投放的原子彈爆炸會(huì)產(chǎn)生蘑菇云，那是為什么呢？就是因?yàn)楹四茉谒查g產(chǎn)生的巨大能量，急劇壓縮其周圍的空氣形成壓差，導(dǎo)致強(qiáng)烈氣流流動(dòng)形成的。

（三）核裂變反應(yīng)不需要氧氣

核裂變不是氧化反應(yīng)，只是一個(gè)重核裂開為兩個(gè)輕核（指鈾、釷、钚），這種裂變過程中會(huì)釋放出2到3個(gè)中子，這些中子又會(huì)繼續(xù)激發(fā)其他的重原子裂變……使這過程按照鏈?zhǔn)椒磻?yīng)規(guī)律持續(xù)進(jìn)行下去，不需要氧氣的參與。

（四）核裂變過程伴隨放射性物質(zhì)的產(chǎn)生

由于裂變本身釋放分裂的核內(nèi)中子，所以如果將足夠數(shù)量的放射性物質(zhì)(如鈾-235)堆在一起，那么一個(gè)核的自發(fā)裂變將觸發(fā)近旁兩個(gè)或更多核的裂變，其中每一個(gè)至少又觸發(fā)另外兩個(gè)核的裂變。原子彈就是一種利用核裂變?cè)碇瞥傻暮宋淦?。它是由美國最先研制成功的，具有非常?qiáng)的破壞力與殺傷力，在爆炸的同時(shí)會(huì)放出強(qiáng)烈的核輻射，危害生物組織。東京電力公司從福島第一核電站３號(hào)機(jī)組廠房檢測(cè)出積水中的放射性物質(zhì)包括鈰－１４４、碘－１３１、鈷－６０、锝－９９ｍ、銫１３４、銫１３７、鋇１４０以及鑭１４０等。這些都是核裂變的產(chǎn)物，

三、在能源開發(fā)中核物理研究起關(guān)鍵作用

（一）由于地球資源的減少，能源開發(fā)勢(shì)在必行

二戰(zhàn)以后進(jìn)入核能時(shí)代，在能源開發(fā)戰(zhàn)略中，核能開發(fā)是最主要的首選。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需要已越來越大?，F(xiàn)有能源存儲(chǔ)量的估計(jì)可能偏低，目前還在不斷地發(fā)現(xiàn)新的礦藏。就算存儲(chǔ)量再提高一倍，這個(gè)數(shù)字看來也是很有限的。核能是地球上儲(chǔ)量最豐富的能源，又是高度濃集的能源。因此，隨著人口數(shù)量的增長，能源消耗量的增加，尋找新能源已引起人們的極大關(guān)切。因此，核能是一個(gè)很重要的潛在能源。

（二）現(xiàn)階段，核物理研究在能源開發(fā)中的狀況

核能與核技術(shù)目前正處于成長和成熟時(shí)期，其主要標(biāo)志是基礎(chǔ)核技術(shù)與核軍事技術(shù)已趨于成熟，形成產(chǎn)業(yè)，并且具有相當(dāng)可觀的價(jià)值。而其他方面尚有大量的新領(lǐng)域正待開發(fā)，世界各國卻大量投入人力、物力進(jìn)行開發(fā)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益激增。核能與核技術(shù)強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定了其強(qiáng)有力的生命力，是其他技術(shù)無法取代的。它在解決人類面臨的一些重大問題，如能源、環(huán)境、資源、人口和糧食等方面具有極為重要的作用，而且對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)的改造和促進(jìn)新技術(shù)革命的到來將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（三）今后核能應(yīng)用與研究中要注意的問題

首先要注意核能具有放射性，若其擴(kuò)散到外部環(huán)境，會(huì)給地球生態(tài)和人民群眾造成巨大損失。因此必須要防止核泄漏。否則可能將引起一場(chǎng)大爆炸，這也是核能發(fā)電最大的擔(dān)憂。如1986年4月26日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生的事故，波及范圍之廣，持續(xù)時(shí)間之長，死傷人員之多，一直值得我們反思。其次要和平利用核能，避免由于政治歧見，產(chǎn)生紛爭(zhēng)，影響和平利用。綠色和平組織曾經(jīng)說過，“我們非常清楚，一個(gè)核反應(yīng)堆可以污染一半地球”。最后，還要防止有人惡意破壞，核設(shè)施必須嚴(yán)守安全這關(guān)。避免恐怖分子襲擊，制造恐怖事件。目前各國分別采取行動(dòng)，如俄羅斯，突出開發(fā)核能更重安全，正加緊研制更安全的第四代核反應(yīng)堆技術(shù)?！?（編輯/穆楊）