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(huì)堂舉行了2014年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)。國(guó)家主席習(xí)近平為著名核物理學(xué)家、“兩彈一星”功勛、中國(guó)“氫彈之父”于敏院士頒發(fā)了2014年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是我國(guó)最高級(jí)別的科技獎(jiǎng)，此前僅有24位著名科學(xué)家獲此殊榮。

于敏院士是一個(gè)神秘人物，他不僅是核物理學(xué)家，也是中國(guó)核武器研究和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的杰出領(lǐng)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(yàn)成功到第一顆氫彈爆炸成功，中國(guó)人只用了2年8個(gè)月時(shí)間，于敏院士正是創(chuàng)造這個(gè)奇跡的杰出代表之一。于敏院士在中國(guó)氫彈原理突破中解決了一系列基礎(chǔ)問(wèn)題，提出了從原理到構(gòu)形的基本完整的設(shè)想，為中國(guó)核武器進(jìn)一步發(fā)展到國(guó)際先進(jìn)水平作出了重要貢獻(xiàn)。從20世紀(jì)70年代起，在倡導(dǎo)、推動(dòng)若干高科技研究項(xiàng)目中，于敏院士也發(fā)揮了重要作用。

于敏院士的獲獎(jiǎng)，讓人們的目光再次聚焦到核物理研究領(lǐng)域上。

究竟什么是核能？

說(shuō)起核能，我們首先想到的是它強(qiáng)大的破壞力。在人類(lèi)歷史上，核武器的唯一一次使用是在二戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)在進(jìn)攻日本時(shí)對(duì)長(zhǎng)崎與廣島投放了兩顆原子彈。兩座城市轉(zhuǎn)眼灰飛煙滅。與此同時(shí)，核能作為一種新型高效的清潔能源，又越來(lái)越為人們所重視。

核能是20世紀(jì)人類(lèi)的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，它的準(zhǔn)備時(shí)期，可以追溯到19世紀(jì)末至20世紀(jì)初。19世紀(jì)末，英國(guó)物理學(xué)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(guò)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(xué)家愛(ài)因斯坦在其相對(duì)論中指出：質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)換。他提出了質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc2（E為能量，m為轉(zhuǎn)換成能量的質(zhì)量，c為光速）。而核能就是通過(guò)原子核反應(yīng)，由質(zhì)量轉(zhuǎn)換成的巨大能量。

我們從中學(xué)的物理課和化學(xué)課中已經(jīng)學(xué)到物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的。原子由原子核以及圍繞原子核的電子構(gòu)成，原子核的內(nèi)部是一定數(shù)目的質(zhì)子和中子?？茖W(xué)家們定義，不涉及到分子變化的過(guò)程叫做物理變化。分子變化，而原子不發(fā)生變化的過(guò)程叫做化學(xué)變化。在核能出現(xiàn)以前，人類(lèi)利用的能源只涉及物理變化和化學(xué)變化。直到1942年12月2日，著名科學(xué)家恩里科·費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家，在美國(guó)芝加哥大學(xué)成功啟動(dòng)了世界上第一座核反應(yīng)堆，才標(biāo)志著人類(lèi)從此進(jìn)入了核能時(shí)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(dāng)一個(gè)重原子核在吸收了一個(gè)能量適當(dāng)?shù)闹凶雍笮纬梢粋€(gè)復(fù)合核，這個(gè)核由于內(nèi)部不穩(wěn)定而分裂成兩個(gè)或多個(gè)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(gè)氫原子核結(jié)合在一起釋放能量的反應(yīng)，主要包括氫的同位素氘（重氫）和氚（超重氫）的聚合反應(yīng)。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(guò)核聚變釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放出的能量。核聚變又叫“熱核反應(yīng)”，受控的熱核反應(yīng)目前尚在研究當(dāng)中。2002年12月2日，我國(guó)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(guó)環(huán)流器二號(hào)。目前核聚變的實(shí)際應(yīng)用只是利用不可控的熱核反應(yīng)，即制造氫彈，達(dá)到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的核能只有核裂變能。

那么，讓我們來(lái)詳細(xì)描述一下核裂變的過(guò)程。一般一個(gè)鈾–235原子核在中子的轟擊下分裂成為幾個(gè)較輕的原子核，同時(shí)放出2～3個(gè)中子，并釋放巨大的能量，這個(gè)反應(yīng)過(guò)程稱(chēng)為核裂變反應(yīng)。在一定的條件下，新產(chǎn)生的中子會(huì)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(yīng)自持（自動(dòng)連續(xù)）地進(jìn)行下去，所以科學(xué)家將其命名為“自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”。這“一定的”條件有兩個(gè)，第一個(gè)條件是鈾要達(dá)到一定的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量叫做“臨界質(zhì)量”；第二個(gè)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(yīng)。

鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)能釋放出巨大的核能，1千克鈾–235裂變釋放的能量，相當(dāng)于2 700噸標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)堆中人工生產(chǎn)出來(lái)的。

為了對(duì)核反應(yīng)進(jìn)行控制，科學(xué)家們特別制造了核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆是通過(guò)受控的自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將核能緩慢地釋放出來(lái)的裝置，是和平利用核能的最主要的設(shè)施。

反應(yīng)堆的種類(lèi)繁多，一般是根據(jù)用途分為動(dòng)力堆、生產(chǎn)堆和研究堆。動(dòng)力堆是利用核裂變釋放的能量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，進(jìn)行發(fā)電、供熱、推動(dòng)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(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究。反應(yīng)堆還可以生產(chǎn)放射性同位素。除了根據(jù)用途進(jìn)行分類(lèi)外，反應(yīng)堆還可以按堆內(nèi)主要中子能量分為熱中子堆（簡(jiǎn)稱(chēng)熱堆）、中能中子堆和快中子堆（簡(jiǎn)稱(chēng)快堆）；按冷卻劑分為輕水堆、重水堆（合稱(chēng)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(lǐng)未來(lái)？

為了實(shí)現(xiàn)核能的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)前世界許多國(guó)家的核科學(xué)家正在研究與發(fā)展先進(jìn)的反應(yīng)堆，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)正在研發(fā)兩種先進(jìn)反應(yīng)堆，一種是高溫氣冷堆，另一種是快中子反應(yīng)堆。由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院承擔(dān)的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院承擔(dān)的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，已分別于2000年和2010年建成運(yùn)行成功。最近，20萬(wàn)千瓦級(jí)模塊式高溫氣冷堆示范電站已在山東榮成動(dòng)工興建，準(zhǔn)備建設(shè)的中國(guó)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(lái)自于在建設(shè)過(guò)程中對(duì)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(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，大概和風(fēng)能漩渦發(fā)電機(jī)一樣（它在建設(shè)過(guò)程中也要用到鋼鐵、塑料、稀土等材料），但比太陽(yáng)能光伏板略少。

不過(guò)，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(dǎo)致日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏之后，日本就沒(méi)有再啟用核電站，德國(guó)隨后計(jì)劃終止核能發(fā)電，就連法國(guó)政府也宣布，計(jì)劃減少核反應(yīng)堆的數(shù)量。美國(guó)現(xiàn)役核反應(yīng)堆的數(shù)量也在減少。核能工業(yè)受冷的另一個(gè)主要原因是財(cái)政壓力。建設(shè)大型核反應(yīng)堆，需要花費(fèi)大量金錢(qián)來(lái)保證其安全性和可靠性。希望通過(guò)對(duì)核能的不斷深入研究，我們可以找到更簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方式來(lái)控制和利用核能。