釋放核能（下）

張開遜

失控的核裂變或熱核反應(yīng)具有巨大的破壞作用，然而可控的核反應(yīng)能夠非常有效地解決人類面臨的能源問題，即用人為的方法控制核反應(yīng)的強度和規(guī)模，使原子核溫和持久地釋放能量，為人類提供所需能源。

從原子核中取得能量產(chǎn)生電力，是人類和平利用核能的成功探索。雖然早在1942年費米已在第一個核反應(yīng)堆中成功地獲得可控制的核能，但利用核能發(fā)電還需解決一系列復(fù)雜的問題，需發(fā)明許多新技術(shù)，使核能利用安全、可靠、經(jīng)濟。

到目前為止，人類發(fā)明了多種用于發(fā)電的核能轉(zhuǎn)換裝置，它們的基本原理與費米當(dāng)年的反應(yīng)堆一樣，都使用鈾235通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生熱量，用可減慢中子速度的物質(zhì)產(chǎn)生維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所必需的慢中子，用可吸收中子的鎘棒控制反應(yīng)強度，但運行方式各不相同。而今，成功的核電模式有三種。

第一種，用天然鈾作為“燃料”，采用在密封管道中循環(huán)的重水作為冷卻劑，把反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞到熱交換器中，加熱在另一套管道中循環(huán)流動的普通水，使其產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電。重水是氫的同位素氘與氧的化合物，其物理與化學(xué)性質(zhì)同普通水相近，然而它能顯著地減緩鈾235裂變釋放的中子運動速度，提高鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效率。反應(yīng)堆運行時，封閉循環(huán)的重水壓力達90個大氣壓，溫度達300℃。這種反應(yīng)堆簡稱“重水堆”。

第二種，采用低濃度鈾235作為“燃料”，其中鈾235含量大約3%，采用普通水作為冷卻劑（因為重水成本很高）。它又分兩種工作方式：一種采用石墨作中子減速劑，作為冷卻劑的普通水被核燃料加熱之后，成為熱水和蒸汽的混合物，通過分離器將熱蒸汽導(dǎo)入汽輪機直接發(fā)電，留下的熱水則繼續(xù)循環(huán)，從堆芯中取得能量再次產(chǎn)生蒸汽，這種裝置簡稱“沸水堆”。沸水堆運行時，作為冷卻劑的普通水壓力低于70個大氣壓，溫度約285℃。這種方式的優(yōu)點是設(shè)備比較簡單，然而進入汽輪機的蒸汽帶有放射性，會污染發(fā)電系統(tǒng)。1986年4月，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生事故的就是這種“沸水堆”。另一種工作方式采用封閉的循環(huán)系統(tǒng)，使作為冷卻劑的普通水與汽輪機發(fā)電系統(tǒng)隔離，水中加入硼的化合物，利用它減緩中子速度。運行時，冷卻劑管道中壓力高達120～160個大氣壓，溫度高于300℃，在這樣高的溫度和壓力下，水不能變成蒸汽，通過管道加熱另一套循環(huán)系統(tǒng)中的水，使其成為蒸汽推動汽輪機發(fā)電。這種裝置可以提高熱量轉(zhuǎn)換高效率，減少放射性物質(zhì)對發(fā)電系統(tǒng)污染，它簡稱為“壓水堆”。目前世界上許多核電站都采用這種設(shè)計。

第三種，仍然是采用低濃度鈾235作為燃料，但是不再采用水作為冷卻劑。由于水自身的物理特性，其工作溫度和傳送熱量的效率都受到一定的限制，故人們改用氣體作為冷卻劑。在這種反應(yīng)堆中，采用石墨作中子減速劑，以二氧化碳或氦氣作為冷卻劑。目前人們更傾向于采用氦，因為氦傳熱特性非常好、熱轉(zhuǎn)換效率高，而且由于氦是惰性氣體，原子核結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，在反應(yīng)堆里不會產(chǎn)生放射性物質(zhì)污染熱交換系統(tǒng)。在封閉系統(tǒng)中循環(huán)的氦從堆芯中獲得熱量，自身工作溫度高達750℃以上，通過熱交換器加熱普通水，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電，簡稱“高溫氣冷堆”。

建立在核反應(yīng)堆基礎(chǔ)之上的一系列后續(xù)發(fā)明，迅速地使核電實用化。1945年，美國建造了第一艘核動力潛艇，利用核能發(fā)電驅(qū)動電動機推動潛艇航行。這種發(fā)電方式不消耗潛艇中的氧，燃料本身自重很輕，可以長時間在水下潛行。1954年，蘇聯(lián)建成第一座核電站，功率為5000千瓦，能夠為一個6000人的小鎮(zhèn)供電。2004年，全球用于發(fā)電的核反應(yīng)堆已達441座，總發(fā)電量超過2.6萬億千瓦時，已占全球總發(fā)電量的16%。其中，法國核電已經(jīng)超過全國總發(fā)電量的78%，美國超過20%。

2005年，全世界核電提供的能量，已經(jīng)相當(dāng)于燃燒10億噸煤產(chǎn)生的電力。

人們選擇核電，既有經(jīng)濟原因也出于對環(huán)境的考慮。1千克鈾235裂變釋放的能量，相當(dāng)于燃燒2400噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量。一座百萬千瓦級的火力發(fā)電廠，每年消耗300萬噸煤，產(chǎn)生60萬噸灰渣，排放10萬噸二氧化硫、3萬噸氮氧化物、3500噸煙塵與1000萬噸二氧化碳，會造成大面積酸雨，破壞生態(tài)；煙塵中則含有各種各樣對人體有害的物質(zhì)（例如重金屬和砷）。運送這些煤每天都需要100節(jié)火車皮，運灰渣每天要用30個車皮；而發(fā)出同樣電力的核電廠，每年需要鈾燃料大約30～40噸，只要一節(jié)車皮就夠用，它每年產(chǎn)生11.6噸核廢料，深埋之后對環(huán)境不會產(chǎn)生危害。核電站在運行過程中，不產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，不向大氣中排放溫室氣體，只要人們精心設(shè)計安全保障體系、妥善處理核廢料，核電即是一種比較理想的能源。人們做過一個調(diào)查，燃煤的火力發(fā)電廠排出的各種廢物對人體健康的傷害，比同等規(guī)模核電廠產(chǎn)生的各種物質(zhì)對人體的損害大830倍。

有人估計，按照目前人類消耗石油和煤的速度，石油大約還可用60年，煤大約可用200～300年，尋找新的替代能源已經(jīng)迫在眉睫。

不久前，人們發(fā)明一種新的核反應(yīng)堆，有望解決未來相當(dāng)長一段時期內(nèi)人類面臨的能源問題。這種核反應(yīng)堆同時采用鈾235和钚239作為“燃料”，在核燃料外面放置不能發(fā)生裂變反應(yīng)的鈾238。鈾235與钚239在快中子作用下發(fā)生裂變釋放能量，同時使鈾238在快中子照射下變成钚239。在這種反應(yīng)堆里，能量的釋放和積聚異常迅速，水或氣體都難以把核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶出去；人們采用液態(tài)金屬鈉或鉀作為冷卻劑，在密閉的循環(huán)系統(tǒng)中，金屬鈉或鉀被“堆芯”加熱后，與外部的水交換熱量產(chǎn)生高溫蒸汽發(fā)電。由于液態(tài)鈉或鉀的傳熱能力比水大幾十倍，可使反應(yīng)堆輸出巨大能量，同時保障運行安全。由于使用快中子激發(fā)鈾和钚發(fā)生裂變反應(yīng)，人們稱之為“快中子堆”，簡稱“快堆”，還由于這種反應(yīng)堆運行的時候，能夠使從前無法使用的鈾238源源不斷地變成新的裂變材料，因而又稱為“增殖堆”。

“增殖堆”可把天然鈾中60%～70%的鈾238變成核燃料钚239，而1克钚239裂變產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于3噸煤。目前已探明的世界鈾礦儲量大約為460萬噸，如果經(jīng)過“增殖堆”處理，那么可以換算成13.8萬億噸煤，相當(dāng)于目前世界已探明的煤儲量約6000億噸的20倍，可供人類使用數(shù)千年。

人們更希望實現(xiàn)可以控制的核聚變，因為地球上核聚變原料氘和氚極為豐富。1升海水含氘0.03克，經(jīng)聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒發(fā)出的熱量。地球上的總水量大約為140萬億億立方米，其中海水占99.3%，有氘大約40萬億噸。另一種聚變原料氚，因其具有放射性且迅速發(fā)生衰變，早在宇宙誕生時已變成其他物質(zhì)，但是人們可以利用元素鋰的同位素鋰6（原子核中有3個質(zhì)子和3個中子），在中子照射下發(fā)生核反應(yīng)變成氦和氚。地球上鋰的儲量雖然沒有氘多，但估計仍有大約2000億噸，這些核聚變原料足夠人類使用上百億年。

然而，實現(xiàn)可以控制的熱核反應(yīng)遠比用原子彈引爆氫彈困難。其困難主要在于兩點：一是必須有足夠高的溫度，使氘原子核和氚原子核獲得的速度足以克服原子核之間巨大的靜電排斥力，相互間充分接近，由此發(fā)生核聚變。據(jù)初步估算，其所需溫度高達5000萬℃，目前尚無任何一種物質(zhì)制成的容器可以承受如此高溫。二是必須使發(fā)生聚變的氘原子核和氚原子核密集地出現(xiàn)在反應(yīng)的空間，并且長時間保持這種狀態(tài)，不致四處逃逸。在發(fā)生核聚變的太陽內(nèi)部，這兩個條件都不成問題，太陽的質(zhì)量比地球大33萬倍，其巨大的引力可使參與聚變反應(yīng)的原子核緊緊地團聚在一起，在巨大的空間范圍同時發(fā)生核聚變，因而太陽很容易產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫，使這種反應(yīng)持續(xù)進行。若在地球上做太陽里發(fā)生的事，對人類的能力是巨大的挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)后半期以來，隨著激光技術(shù)的進展，人們已經(jīng)可以利用超強激光束，在很小的空間范圍，瞬間達到氘和氚發(fā)生聚變所需高溫。在高溫下，氘和氚迅速變成電子與原子核分離的一堆正負(fù)電荷混雜的粒子，人們稱之為等離子體。而隨著材料科學(xué)的進步，人們能夠利用電阻幾乎為零的超導(dǎo)體材料做成線圈，通過巨大的電流產(chǎn)生超強的磁場，使氘原子核和氚原子核以及游離的電子無法外逃，等離子體緊緊地約束在與容器內(nèi)壁隔離的狹小空間，為核聚變創(chuàng)造必要的條件。沿著這個方向，人們有望逐漸接近實現(xiàn)可控核聚變的目標(biāo)。

當(dāng)能源危機一步一步逼近人類之時，核能使人們看到走出困境的希望?？茖W(xué)智慧有可能幫助人類獲得這種永不枯竭的能源。然而，人類亦需要更高的智慧滌蕩籠罩世界的核戰(zhàn)爭陰云，使人類的未來寧靜與和平。（未完待續(xù)）