認(rèn)識(shí)核能

任明亮 胡濱

能源是推動(dòng)人類文明發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的獲取及利用，使人類確立了其他物種都不具備的進(jìn)化優(yōu)勢，某種程度上說，沒有能源的推動(dòng)，就沒有人類文明的今天與未來。人類有史以來利用的絕大多數(shù)能源，從最早點(diǎn)燃火的木材，到現(xiàn)今廣泛依賴的煤炭、石油等，皆源于太陽，而太陽的能量來自于其內(nèi)部源源不斷的核聚變反應(yīng)釋放的能量。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生“了解物質(zhì)的基本性質(zhì)，認(rèn)識(shí)物體的運(yùn)動(dòng)、力的作用、能量、能量的不同形式及其相互轉(zhuǎn)換”，“感受到物質(zhì)科學(xué)對促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步，提高人類生活質(zhì)量的重要作用”。在中國科技館，可以通過“挑戰(zhàn)與未來”展廳的展品“裂變與聚變”認(rèn)識(shí)和探索核能這種終極能源。

什么是能源

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，一切物質(zhì)都具有能量。能量通過不同的表現(xiàn)形式被我們?nèi)祟愃獣耘c利用，例如機(jī)械能、光能、熱能、電能等，而且這些形式是可以相互轉(zhuǎn)換的。為我們提供這些能量的物質(zhì)，就是能源。能源的利用，其實(shí)就是能量的轉(zhuǎn)化和傳遞的過程，如煤燃燒放熱使蒸汽溫度升高是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽內(nèi)能;高溫蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，又轉(zhuǎn)化為電能;電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或者通過燈具轉(zhuǎn)化為光能等，

既然能源是提供能量的物質(zhì)，一切物質(zhì)又都具有能量，是不是可以說一切物質(zhì)皆可以做能源？邏輯上并沒有錯(cuò)誤，但存在一個(gè)問題，就是物質(zhì)能量的利用，需要有相應(yīng)的外部條件引發(fā)，并以其對應(yīng)產(chǎn)出的能量數(shù)衡量。例如，巖石一樣可以燃燒，為什么我們不用巖石取火？這里就需要引入一個(gè)概念，用來衡量物質(zhì)能量的大小，那就是能量密度（Energy density）——是指在一定的體積或質(zhì)量的物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。

為什么核能是終極能源

原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量就是核能，當(dāng)一種原子核發(fā)生變化時(shí)就會(huì)釋放出其中的能量，可通過3種核反應(yīng)釋放：第1種是核裂變，較重的原子核分裂釋放結(jié)核能;第2種是核聚變，較輕的原子核聚合在一起釋放結(jié)核能;第3種是核衰變，原子核自發(fā)衰變過程中釋放能量。裂變與聚變產(chǎn)生的核能，是已知物質(zhì)中能量密度最大的，能夠大到什么程度呢？通過表l可以直觀感受到。

不過原子太小了，常規(guī)意義的顯微鏡都無法看到其形態(tài)，遑論人眼。但在中國科技館，展品“裂變與聚變”應(yīng)用機(jī)電互動(dòng)與多媒體相結(jié)合的交互方式，以展臺(tái)作為模擬反應(yīng)的場所，推桿作為觀眾互動(dòng)操作啟動(dòng)核反應(yīng)條件，催動(dòng)小球模擬中子或原子的運(yùn)動(dòng)，能夠讓參與者直觀了解核裂變與核聚變的模擬演示過程，學(xué)習(xí)了解核能產(chǎn)生的科學(xué)原理。

核裂變與核聚變有什么不同

顧名思義，核裂變就是大質(zhì)量的原子核分裂成比較小的原子核，核聚變就是小質(zhì)量的原子核合成比較大的原子核，在這個(gè)變化過程中都會(huì)釋放出巨大的能量，后者釋放的能量更大。

核裂變展臺(tái)中，當(dāng)觀眾操作核裂變展臺(tái)上的控制面板，面板上代表中子的小球開始滾動(dòng)，模擬實(shí)際情況下中子的不定向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)撞擊到屏幕中虛擬的一些質(zhì)量非常大的原子核（例如鈾、釷等）時(shí)，屏幕開始演示核裂變反應(yīng)：一些大質(zhì)量的原子核在吸收中子以后會(huì)分裂成2個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出巨大的能量和2-3個(gè)中子，釋放出的高速中子又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變……過程持續(xù)進(jìn)行下去，被稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。1克鈾235完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒2.5噸煤所產(chǎn)生的能量。

核聚變展臺(tái)中，顯示屏內(nèi)零散分布氘、氚、氦3原子，并隨機(jī)移動(dòng)，觀眾推動(dòng)顯示器上方橫向推桿，模擬擠壓氘、氚、氦3，當(dāng)推動(dòng)推桿到達(dá)一定程度時(shí)，觀眾的手能感覺到明顯的震動(dòng)，意味著壓力增大及溫度升高到原子核難以避免相撞的條件，此時(shí)屏幕上核聚變反應(yīng)開始：質(zhì)量較小的原子核相互聚合，形成新的質(zhì)量更重的原子核，同時(shí)為了平衡原子核內(nèi)部的作用力，將多余的中子彈射出去，這一過程同時(shí)釋放出巨大的能量，單位能量甚至高于裂變反應(yīng)釋放的能量，而這恰恰就是太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。

核能有什么用

核能最開始實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用是核武器，大家熟知的“兩彈一星”，其中之一就是指的核彈，特別是科學(xué)家于敏先生創(chuàng)立的“于敏構(gòu)型”，獨(dú)步天下，使得我國成為世界上唯一可以長時(shí)間保有聚變核彈的國家。正是有了這一武裝作為威懾，我們的國家和人民才有了相對安全與和平的生存發(fā)展空間。

除了在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用外，當(dāng)前世界上也在利用核裂變發(fā)電。核電站只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，且成本比火電站要低20%以上。核電站還可以大大減少燃料的運(yùn)輸量。例如，1座100萬千瓦的火電站每年耗煤三四百萬噸，而相同功率的核電站每年僅需鈾燃料三四十噸。核電的另一個(gè)優(yōu)勢是干凈、無污染，幾乎是零排放。我國核電技術(shù)起步較晚，但也在積極推進(jìn)，通過引進(jìn)吸收逐漸走向技術(shù)突破，目前我國完全擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的華龍一號(hào)三代核電技術(shù)，是全球唯一按照計(jì)劃推進(jìn)建設(shè)的三代壓水堆核電工程。

與此同時(shí)，核能在農(nóng)業(yè)育種、病蟲害防治、醫(yī)學(xué)診斷、放射性免疫及治療等方面的應(yīng)用也在不斷提升與加強(qiáng)。我國已經(jīng)有800多家醫(yī)院開展了核醫(yī)學(xué)診斷，包括體外診斷、體內(nèi)診斷、治療癌癥病人及放射性免疫方法等。

核能是未來解決能源危機(jī)最重要、最本質(zhì)的途徑，能夠在本質(zhì)上解決人類社會(huì)發(fā)展與能源需求的矛盾。目前人類已經(jīng)初步掌握一定程度上可控的核裂變反應(yīng)，以及不受控制的核聚變，隨著科學(xué)家的不懈努力和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已研究出幾種主要的可控制核聚變方式：超聲波核聚變、激光約束（慣性約束）核聚變、磁約束核聚變（托卡馬克），但離完全控制核聚變還有很大差距。未來，當(dāng)人類真正能夠掌控核聚變的時(shí)候，會(huì)比百年前我們掌握電能應(yīng)用時(shí)帶來的變革更加巨大，到那個(gè)時(shí)候，星際航行、定居外星將不再是幻想，那時(shí)的人類回望我們現(xiàn)在的時(shí)代，或許差別會(huì)超過我們現(xiàn)在回看石器時(shí)代。