核裂變和核聚變哪個(gè)能量大（核裂變和核聚變的例子）

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)改變了人類歷史。原子核在“分裂或聚合”時(shí)，會(huì)釋放出驚人的能量。

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核裂變的發(fā)現(xiàn)

1938年底，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊軸核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此給出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊（圖）。

弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為核裂變（nuclear fission）。

鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪（鈾236為中間過(guò)程，不穩(wěn)定），同時(shí)放出3個(gè)中子，核反應(yīng)方程是

23???U＋?1n→1????Ba＋????Kr＋31?n

核裂變中放出中子，數(shù)目有多有少，中子的速度也有快有慢。以鈾235為例，核裂變時(shí)產(chǎn)生兩或三個(gè)中子。如果這些中子繼續(xù)與其他鈾235發(fā)生反應(yīng)，再引起新的核裂變，就能使核裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去（圖）。

這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（chain reaction）。

鈾塊的大小是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否進(jìn)行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過(guò)時(shí)，很有可能碰不到鈾核而跑到軸塊外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。只有當(dāng)鈾塊足夠大時(shí)，核裂變產(chǎn)生的中子才有足夠大的概率打中某個(gè)鈾核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去。通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。

我國(guó)科學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦于1947年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的1/300和1/5000。這一研究成果得到了廣泛的認(rèn)可和贊譽(yù)。鈾核裂變時(shí)如果生成物不同，釋放的能量也有差異。如果一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能！

?1t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)放出2.93×1001?J的熱量。

反應(yīng)堆與核電站

原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。

圖是當(dāng)前普遍使用的“熱中子（慢中子）”核反應(yīng)堆的示意圖。

實(shí)際上，中子的速度不能太快，否則會(huì)與軸235“擦肩而過(guò)”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實(shí)驗(yàn)證明，速度與熱運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。但是，核裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，因此，還要設(shè)法使快中子減速。為此，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變?yōu)槁凶印３Ｓ玫穆瘎┯惺?、重水和普通水（也叫輕水）。

為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些。這種鎘棒叫作控制棒。

?熱中子反應(yīng)堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2％～4％）。

核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高。水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。

?重水是兩個(gè)氘原子與一個(gè)氧原子形成的化合物，它的化學(xué)性質(zhì)與普通水相同，但分子質(zhì)量比普通水的大。

如圖，

反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。這一部分的工作原理跟火力發(fā)電站相同。

第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過(guò)堆芯時(shí)核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高，進(jìn)入熱交換器后，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆里。

在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

在核電站中，只要“燒”掉一支鉛筆那么多的核燃料，釋放的能量就相當(dāng)于10t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱。一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站，每年只消耗30t左右的濃縮軸，而同樣功率的火電站，每年要燒煤2.5×10?t！

建造核電站時(shí)需要特別注意防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，以避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成放射性污染。為此，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。

核聚變

兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變（nuclear fusion）。如圖，

一個(gè)氘核與一個(gè)氚核聚合成一個(gè)氦核的同時(shí)放出一個(gè)中子，釋放17.6MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3～4倍。這時(shí)的核反應(yīng)方程是

有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開(kāi)爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。

實(shí)際上，熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆（圖）。

太陽(yáng)的主要成分是氫。太陽(yáng)的中心溫度達(dá)1.6×10?K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氨核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，不斷地放出能量。太陽(yáng)每秒輻射出的能量約為3.8×102?J，相當(dāng)于1000億億噸。

煤燃燒所放出的能量，其中20億分之一左右的能量被地球接收。現(xiàn)在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來(lái)自太陽(yáng)，即太陽(yáng)內(nèi)部核聚變時(shí)釋放的核能。

太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應(yīng)?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！太陽(yáng)的壽命已經(jīng)有50億年了。

目前，人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖所示，

首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。

此外，人們也一直在努力嘗試實(shí)現(xiàn)可控的人工核聚變，進(jìn)而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說(shuō)，相同質(zhì)量的核燃料，反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比較多。第二，地球上核聚變?nèi)剂想碗皟?chǔ)量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。

然而，核聚變需要的溫度太高，地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。這構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)可控核聚變的主要困難。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。

磁約束帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束。如圖，

環(huán)流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）是目前性能最好的一種磁約束裝置。圖

是中國(guó)科學(xué)院的環(huán)流器裝置EAST。

慣性約束利用核聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。由于核聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)（圖）。

在我國(guó)，中國(guó)工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)受控核聚變還有一段很長(zhǎng)的路要走。