駕馭“雙面勇士”，抒寫核能新篇

江豐

隱姓埋名30年的院士

2015年1月9日上午，北京人民大會堂舉行了2014年度國家科學技術獎勵大會。國家主席習近平為著名核物理學家、“兩彈一星”功勛、中國“氫彈之父”于敏院士頒發(fā)了2014年度國家最高科學技術獎。國家最高科學技術獎是我國最高級別的科技獎，此前僅有24位著名科學家獲此殊榮。

于敏院士是一個神秘人物，他不僅是核物理學家，也是中國核武器研究和國防技術發(fā)展的杰出領軍人物之一，曾經(jīng)“隱身”30年之久，直到1988年他的名字才得以解禁。從原子彈試驗成功到第一顆氫彈爆炸成功，中國人只用了2年8個月時間，于敏院士正是創(chuàng)造這個奇跡的杰出代表之一。于敏院士在中國氫彈原理突破中解決了一系列基礎問題，提出了從原理到構形的基本完整的設想，為中國核武器進一步發(fā)展到國際先進水平作出了重要貢獻。從20世紀70年代起，在倡導、推動若干高科技研究項目中，于敏院士也發(fā)揮了重要作用。

于敏院士的獲獎，讓人們的目光再次聚焦到核物理研究領域上。

究竟什么是核能？

說起核能，我們首先想到的是它強大的破壞力。在人類歷史上，核武器的唯一一次使用是在二戰(zhàn)時期，美國在進攻日本時對長崎與廣島投放了兩顆原子彈。兩座城市轉眼灰飛煙滅。與此同時，核能作為一種新型高效的清潔能源，又越來越為人們所重視。

核能是20世紀人類的一項偉大發(fā)現(xiàn)，它的準備時期，可以追溯到19世紀末至20世紀初。19世紀末，英國物理學家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙，她又通過艱苦努力，于1902年發(fā)現(xiàn)了另一種放射性元素鐳。1905年，著名科學家愛因斯坦在其相對論中指出：質(zhì)量和能量可以相互轉換。他提出了質(zhì)能轉換公式E=mc2（E為能量，m為轉換成能量的質(zhì)量，c為光速）。而核能就是通過原子核反應，由質(zhì)量轉換成的巨大能量。

我們從中學的物理課和化學課中已經(jīng)學到物質(zhì)是由分子或原子構成的。原子由原子核以及圍繞原子核的電子構成，原子核的內(nèi)部是一定數(shù)目的質(zhì)子和中子?？茖W家們定義，不涉及到分子變化的過程叫做物理變化。分子變化，而原子不發(fā)生變化的過程叫做化學變化。在核能出現(xiàn)以前，人類利用的能源只涉及物理變化和化學變化。直到1942年12月2日，著名科學家恩里科·費米領導幾十位科學家，在美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆，才標志著人類從此進入了核能時代。

裂變與聚變

核能分為核裂變能和核聚變能兩種。核裂變是當一個重原子核在吸收了一個能量適當?shù)闹凶雍笮纬梢粋€復合核，這個核由于內(nèi)部不穩(wěn)定而分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子核。核裂變釋放出的能量叫核裂變能。核聚變是兩個氫原子核結合在一起釋放能量的反應，主要包括氫的同位素氘（重氫）和氚（超重氫）的聚合反應。核聚變釋放出的能量叫核聚變能。自然界中的大部分氘以重水的形式存在于海水中，1升海水中的氘通過核聚變釋放出的能量相當于300升汽油燃燒釋放出的能量。核聚變又叫“熱核反應”，受控的熱核反應目前尚在研究當中。2002年12月2日，我國建成了受控核聚變研究裝置——核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號。目前核聚變的實際應用只是利用不可控的熱核反應，即制造氫彈，達到工業(yè)規(guī)模應用的核能只有核裂變能。

那么，讓我們來詳細描述一下核裂變的過程。一般一個鈾–235原子核在中子的轟擊下分裂成為幾個較輕的原子核，同時放出2～3個中子，并釋放巨大的能量，這個反應過程稱為核裂變反應。在一定的條件下，新產(chǎn)生的中子會繼續(xù)引起更多的鈾–235原子核裂變，這樣一代代傳下去，像鏈條一樣環(huán)環(huán)相扣，使核裂變反應自持（自動連續(xù)）地進行下去，所以科學家將其命名為“自持鏈式裂變反應”。這“一定的”條件有兩個，第一個條件是鈾要達到一定的質(zhì)量，這個質(zhì)量叫做“臨界質(zhì)量”；第二個條件是中子的能量，鈾–235原子核在慢速的“熱中子”作用下比較容易發(fā)生裂變反應。

鏈式裂變反應能釋放出巨大的核能，1千克鈾–235裂變釋放的能量，相當于2 700噸標準煤燃燒產(chǎn)生的能量。目前，只有鈾–233、鈾–235和钚–239這三種核素在熱中子條件下容易發(fā)生核裂變，它們都是核燃料，其中只有鈾–235是天然存在的，它在天然鈾中的含量（叫做“豐度”）僅為0.7%，而鈾–233、钚–239是在反應堆中人工生產(chǎn)出來的。

為了對核反應進行控制，科學家們特別制造了核反應堆。反應堆是通過受控的自持鏈式裂變反應將核能緩慢地釋放出來的裝置，是和平利用核能的最主要的設施。

反應堆的種類繁多，一般是根據(jù)用途分為動力堆、生產(chǎn)堆和研究堆。動力堆是利用核裂變釋放的能量來產(chǎn)生動力，進行發(fā)電、供熱、推動船艦等。生產(chǎn)堆是利用中子生產(chǎn)新的核燃料（核裂變材料钚–239、鈾–233，核聚變材料氚）。研究堆是利用中子進行基礎科學和應用科學研究。反應堆還可以生產(chǎn)放射性同位素。除了根據(jù)用途進行分類外，反應堆還可以按堆內(nèi)主要中子能量分為熱中子堆（簡稱熱堆）、中能中子堆和快中子堆（簡稱快堆）；按冷卻劑分為輕水堆、重水堆（合稱水冷堆或水堆，輕水堆又分為壓水堆和沸水堆）、氣冷堆和鈉冷堆等。

核能引領未來？

為了實現(xiàn)核能的進一步發(fā)展，當前世界許多國家的核科學家正在研究與發(fā)展先進的反應堆，進一步提高反應堆的安全性和經(jīng)濟性。我國正在研發(fā)兩種先進反應堆，一種是高溫氣冷堆，另一種是快中子反應堆。由清華大學核能與新能源技術研究院承擔的10兆瓦高溫氣冷實驗堆，由中國原子能科學研究院承擔的中國實驗快堆，已分別于2000年和2010年建成運行成功。最近，20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆示范電站已在山東榮成動工興建，準備建設的中國示范快堆電站也已在福建三明完成了廠址選址工作。

在這些核電站建成之后，它們所產(chǎn)生的污染相較于傳統(tǒng)能源將有很大減少，其主要污染來自于在建設過程中對鋼鐵和水泥的消耗，還有制造核燃料必須的濃縮鈾。這些材料在其本身的制造過程中，都會產(chǎn)生溫室氣體，大概和風能漩渦發(fā)電機一樣（它在建設過程中也要用到鋼鐵、塑料、稀土等材料），但比太陽能光伏板略少。

不過，在世界其他地方，核能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已逐漸萎縮。在 2011年地震和海嘯導致日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏之后，日本就沒有再啟用核電站，德國隨后計劃終止核能發(fā)電，就連法國政府也宣布，計劃減少核反應堆的數(shù)量。美國現(xiàn)役核反應堆的數(shù)量也在減少。核能工業(yè)受冷的另一個主要原因是財政壓力。建設大型核反應堆，需要花費大量金錢來保證其安全性和可靠性。希望通過對核能的不斷深入研究，我們可以找到更簡單和廉價的方式來控制和利用核能。