4. 鏈式反應與核反應堆
重核裂變現象被證實， 人們立即轉向由此可能釋放的核能。就在物理學家都注意這個研究動向時， 約裏奧・居裏和他的同事又發現了更重要的現象， 就是在鈾核裂變釋放巨大能量的同時， 還放出2 、3 個中子來。這就是所謂的“中子過剩”問題。
比較核的組成就可以發現， 輕核是質子和中子的數量近於相等； 中等大小的原子核往往是中子數略大於質子數； 而重核則是中子數比質子數大得多。於是， 在重核分裂為兩個較輕核時， 就會出現中子過剩的情況。這一個發現使一些物理學家特別興奮， 因為在玻爾最先通報發現重核裂變這一消息的華盛頓理論物理會議上， 就曾有人猜測， 如果鈾核裂變後， 能釋放出一個以上的中子， 這些中子又再引起附近鈾核的裂變， 裂變就像雪崩一樣繼續下去。這種情景就如同圖所示， 一個中子打碎一個鈾核， 放出能量， 同時放出2 個中子； 這2 個中子又可以打碎另外2 個鈾核， 同時各放出2 個中子， 一共4 個中子； 這4 個中子又能打破4 個鈾核， 同時放出16 個中子。以此類推， 這種能連續引起原子核裂變的現象很像一個鏈條， 一環套一環。人們把這種反應過程稱為鏈式反應。
“鏈式反應”這個術語聽起來有些陌生， 但它實際也是一種常見的現象。一張紙的燃燒過程也是一種類似的鏈式反應。火種， 比如火柴提供了開始燃燒所必需的熱量。紙的燃燒一旦開始， 它本身就能提供繼續燃燒所必需的熱量， 從而使火焰散布開。這就是說， 隻要條件具備， 燃燒本身就能使燃燒的規模逐漸擴大， 可見， 鏈式反應的提出寄托了物理學家的一片希望。
約裏奧・居裏在實驗室測量了兩種溶液裏中子的密度分布情況。這兩種溶液中， 隻有一種是含鈾元素的。結果表明， 由於鈾的存在， 在離中子源一段距離之外， 中子密度比沒有鈾的情況要大一些。鏈式反應是可能發生的。
物理學家進一步的實驗研究發現， 每次核裂變所產生中子的實際平均數是2. 47 個。而且由於兩次核反應的時間間隔極短， 大約是五十萬億分之一秒。這就意味著隻要供核裂變反應用的鈾塊體積足夠大， 使裂變開始後產生的中子在飛出鈾塊表麵之前， 能撞擊到另一個鈾原子核， 那麽鏈式反應就會發生。在極短的時間內釋放出大得驚人的能量。
費米決定通過實驗來弄清楚核裂變的詳細情況， 以便確認鏈式反應究竟是一種設想， 還是真能實現。1941 年7 月， 費米主持開始了研究可實現鏈式反應的裝置。當時有三個問題需要事先加以解決。
第一個問題是鈾的來源問題。在1940 年物理學家已經235得知， 在天然的鈾中主要有兩種成份， 一種是鈾-235 ( 92238 92U) ， 另一種是鈾-238 ( U) ； 235U 隻占0. 7%， 而238U 卻占99. 3% 。而中子遇到238U 大多會被238U 原子俘獲而不再發生裂變， 容易引起裂變的是235U， 可它的含量又太少。隻要238U 存在， 就會使鏈式反應逐漸衰減以至於停止。這種狀況有點類似燒濕樹葉的情況， 即使點著火燒起來， 也可能會漸漸熄滅。唯一的出路是將235 U 分離出來， 至少也要除去相當多的238 U 。科學家們想了很多辦法， 來攻這個難關。最後， 采用的是“氣體擴散法”， 讓235U 和238U 原子處於氣體狀態。這時， 235 U 原子的運動速度稍快一點。通過一連串過濾壁， 可以把它分離出來。雖然成本比較高， 但畢竟可以得到濃縮的235U 。
第二個問題是， 要找到合適的減速劑， 把快中子變為慢中子， 以便更有效地激發核裂變。費米已經知道水就是一種減速劑。但它有一個缺點， 容易吸收中子， 這樣會增加中子的損失， 不利於鏈式反應的進行。重水， 即D2 O 能有效地使中子減速， 又不易吸收中子， 但是重水不易製備， 成本也比較高。另外， 鏈式反應中產生的熱量也容易使它蒸發。鈹也可以有使中子減速的作用， 但它的毒性比較大， 鈹中毒這種病症就是這個時期從試製原子彈的科學家身上發現的。費米提出了一個很好的建議， 用石墨作減速劑， 經過實驗， 認為這是一個理想的選擇。
第三個問題是， 必須嚴格控製核裂變反應的速率， 以使裂變既能不斷進行， 又不致引起爆炸。費米最終找的解決方案是， 利用鎘能吸收中子的特性把鎘棒插入反應裝置， 通過調節鎘棒的深度來控製裂變反應的速率。
這幾個問題解決後， 於1941 年11 月， 費米主持在美國芝加哥大學運動場看台下的網球場開始了第一座原子核鏈式反應堆的建造。他們首先在地板的中央設置一木架， 然後在它上麵放置一層石墨塊， 再將鈾與石墨一層一層地間錯鋪放。在石墨層中還預留了一些貫穿各層間的孔道， 供鎘棒的插入和抽出使用。這樣， 就形成了一座長近10 米、寬9 米高6. 5 米的反應堆。這個結構叫“堆”是為了保密而定的電報用代名， 後來一直沿用下來。1942 年12 月2 日， 反應堆已完全建好， 費米下令實驗開始， 控製棒被徐徐從反應堆中抽出。下午3 時45 分， 儀表指示出鏈式反應出現了。經過了28 分鍾的運行之後， 費米下令插入控製棒中止鏈式反應。至此， 世界上第一座人工控製的核反應堆運行成功。
反應堆成功運行後， 匈牙利物理學家維格內在現場拿出一瓶意大利葡萄酒， 送給費米以示祝賀。費米讓在場的每個人都分享了這一成功的喜悅， 然後每人都在酒瓶商標上簽上自己的名字， 在場一共42 人。另一位物理學家康普頓立即給在華盛頓的康南特打電話， 康普頓報告說： “那個意大利航海家已經登上新大陸。”這是指費米， 他是意大利人。康南特問道： “土人對他的態度如何？”回答說： “非常友好。”所以， 美國人說又一個意大利人發現了新大陸。這是指1492 年， 意大利航海家哥倫布發現了美洲新大陸。把1492 這個數中間兩位顛倒一下就是1942 ， 這一年意大利物理學家費米進入了利用原子核能的新大陸。
盡管費米這個反應堆的功率隻有0. 5 瓦， 但它卻使人類第一次實現了原子核能的可控釋放。從此人類開始了核能利用的新紀元。
1954 年， 前蘇聯又建成了世界第一座核電站， 人類開發和利用核動力的夢想終於成真。核電站的心髒就是核反應堆， 相當於火力發電站的鍋爐。核裂變過程產生的巨大能量轉變為熱能， 通過載熱劑( 如重水或普通水) 把熱能帶出去， 推動汽輪機， 再由汽輪機帶動發電機發電。
核電站具有許多優點， 它消耗的原料比較少， 燃料的運輸和儲存都比較簡單和方便。比如一座100 萬千瓦的核電站， 一年隻需要25 ～30 噸低濃縮的鈾就夠了，6 輛卡車一次就能把它運到現場。而同樣發電量的火電站， 每年至少要燒300 萬噸煤， 每天都需要幾列火車來裝運。核電裝站對環境的汙染也比較小， 不像火力發電站那樣， 每天向空氣傾吐大量的二氧化碳、二氧化硫和煙灰等有害物質。核電站發電成本也不比火力發電高。這些特別使得核電站的利用越來越有吸引力。當然， 也有人擔心原子核裂變的原料及其產物從核電站中泄露出來， 危害環境， 危及人體健康。事實上也的確發生過前蘇聯的切爾諾貝利核電站的核燃料泄露等事故。
但是， 隻要對核電站的安全問題給予足夠的重視， 這類事故是可以避免的。
原子核能的和平利用有著廣闊的前景， 對人類的未來會產生深刻的影響。
比較核的組成就可以發現， 輕核是質子和中子的數量近於相等； 中等大小的原子核往往是中子數略大於質子數； 而重核則是中子數比質子數大得多。於是， 在重核分裂為兩個較輕核時， 就會出現中子過剩的情況。這一個發現使一些物理學家特別興奮， 因為在玻爾最先通報發現重核裂變這一消息的華盛頓理論物理會議上， 就曾有人猜測， 如果鈾核裂變後， 能釋放出一個以上的中子， 這些中子又再引起附近鈾核的裂變， 裂變就像雪崩一樣繼續下去。這種情景就如同圖所示， 一個中子打碎一個鈾核， 放出能量， 同時放出2 個中子； 這2 個中子又可以打碎另外2 個鈾核， 同時各放出2 個中子， 一共4 個中子； 這4 個中子又能打破4 個鈾核， 同時放出16 個中子。以此類推， 這種能連續引起原子核裂變的現象很像一個鏈條， 一環套一環。人們把這種反應過程稱為鏈式反應。
“鏈式反應”這個術語聽起來有些陌生， 但它實際也是一種常見的現象。一張紙的燃燒過程也是一種類似的鏈式反應。火種， 比如火柴提供了開始燃燒所必需的熱量。紙的燃燒一旦開始， 它本身就能提供繼續燃燒所必需的熱量， 從而使火焰散布開。這就是說， 隻要條件具備， 燃燒本身就能使燃燒的規模逐漸擴大， 可見， 鏈式反應的提出寄托了物理學家的一片希望。
約裏奧・居裏在實驗室測量了兩種溶液裏中子的密度分布情況。這兩種溶液中， 隻有一種是含鈾元素的。結果表明， 由於鈾的存在， 在離中子源一段距離之外， 中子密度比沒有鈾的情況要大一些。鏈式反應是可能發生的。
物理學家進一步的實驗研究發現， 每次核裂變所產生中子的實際平均數是2. 47 個。而且由於兩次核反應的時間間隔極短， 大約是五十萬億分之一秒。這就意味著隻要供核裂變反應用的鈾塊體積足夠大， 使裂變開始後產生的中子在飛出鈾塊表麵之前， 能撞擊到另一個鈾原子核， 那麽鏈式反應就會發生。在極短的時間內釋放出大得驚人的能量。
費米決定通過實驗來弄清楚核裂變的詳細情況， 以便確認鏈式反應究竟是一種設想， 還是真能實現。1941 年7 月， 費米主持開始了研究可實現鏈式反應的裝置。當時有三個問題需要事先加以解決。
第一個問題是鈾的來源問題。在1940 年物理學家已經235得知， 在天然的鈾中主要有兩種成份， 一種是鈾-235 ( 92238 92U) ， 另一種是鈾-238 ( U) ； 235U 隻占0. 7%， 而238U 卻占99. 3% 。而中子遇到238U 大多會被238U 原子俘獲而不再發生裂變， 容易引起裂變的是235U， 可它的含量又太少。隻要238U 存在， 就會使鏈式反應逐漸衰減以至於停止。這種狀況有點類似燒濕樹葉的情況， 即使點著火燒起來， 也可能會漸漸熄滅。唯一的出路是將235 U 分離出來， 至少也要除去相當多的238 U 。科學家們想了很多辦法， 來攻這個難關。最後， 采用的是“氣體擴散法”， 讓235U 和238U 原子處於氣體狀態。這時， 235 U 原子的運動速度稍快一點。通過一連串過濾壁， 可以把它分離出來。雖然成本比較高， 但畢竟可以得到濃縮的235U 。
第二個問題是， 要找到合適的減速劑， 把快中子變為慢中子， 以便更有效地激發核裂變。費米已經知道水就是一種減速劑。但它有一個缺點， 容易吸收中子， 這樣會增加中子的損失， 不利於鏈式反應的進行。重水， 即D2 O 能有效地使中子減速， 又不易吸收中子， 但是重水不易製備， 成本也比較高。另外， 鏈式反應中產生的熱量也容易使它蒸發。鈹也可以有使中子減速的作用， 但它的毒性比較大， 鈹中毒這種病症就是這個時期從試製原子彈的科學家身上發現的。費米提出了一個很好的建議， 用石墨作減速劑， 經過實驗， 認為這是一個理想的選擇。
第三個問題是， 必須嚴格控製核裂變反應的速率， 以使裂變既能不斷進行， 又不致引起爆炸。費米最終找的解決方案是， 利用鎘能吸收中子的特性把鎘棒插入反應裝置， 通過調節鎘棒的深度來控製裂變反應的速率。
這幾個問題解決後， 於1941 年11 月， 費米主持在美國芝加哥大學運動場看台下的網球場開始了第一座原子核鏈式反應堆的建造。他們首先在地板的中央設置一木架， 然後在它上麵放置一層石墨塊， 再將鈾與石墨一層一層地間錯鋪放。在石墨層中還預留了一些貫穿各層間的孔道， 供鎘棒的插入和抽出使用。這樣， 就形成了一座長近10 米、寬9 米高6. 5 米的反應堆。這個結構叫“堆”是為了保密而定的電報用代名， 後來一直沿用下來。1942 年12 月2 日， 反應堆已完全建好， 費米下令實驗開始， 控製棒被徐徐從反應堆中抽出。下午3 時45 分， 儀表指示出鏈式反應出現了。經過了28 分鍾的運行之後， 費米下令插入控製棒中止鏈式反應。至此， 世界上第一座人工控製的核反應堆運行成功。
反應堆成功運行後， 匈牙利物理學家維格內在現場拿出一瓶意大利葡萄酒， 送給費米以示祝賀。費米讓在場的每個人都分享了這一成功的喜悅， 然後每人都在酒瓶商標上簽上自己的名字， 在場一共42 人。另一位物理學家康普頓立即給在華盛頓的康南特打電話， 康普頓報告說： “那個意大利航海家已經登上新大陸。”這是指費米， 他是意大利人。康南特問道： “土人對他的態度如何？”回答說： “非常友好。”所以， 美國人說又一個意大利人發現了新大陸。這是指1492 年， 意大利航海家哥倫布發現了美洲新大陸。把1492 這個數中間兩位顛倒一下就是1942 ， 這一年意大利物理學家費米進入了利用原子核能的新大陸。
盡管費米這個反應堆的功率隻有0. 5 瓦， 但它卻使人類第一次實現了原子核能的可控釋放。從此人類開始了核能利用的新紀元。
1954 年， 前蘇聯又建成了世界第一座核電站， 人類開發和利用核動力的夢想終於成真。核電站的心髒就是核反應堆， 相當於火力發電站的鍋爐。核裂變過程產生的巨大能量轉變為熱能， 通過載熱劑( 如重水或普通水) 把熱能帶出去， 推動汽輪機， 再由汽輪機帶動發電機發電。
核電站具有許多優點， 它消耗的原料比較少， 燃料的運輸和儲存都比較簡單和方便。比如一座100 萬千瓦的核電站， 一年隻需要25 ～30 噸低濃縮的鈾就夠了，6 輛卡車一次就能把它運到現場。而同樣發電量的火電站， 每年至少要燒300 萬噸煤， 每天都需要幾列火車來裝運。核電裝站對環境的汙染也比較小， 不像火力發電站那樣， 每天向空氣傾吐大量的二氧化碳、二氧化硫和煙灰等有害物質。核電站發電成本也不比火力發電高。這些特別使得核電站的利用越來越有吸引力。當然， 也有人擔心原子核裂變的原料及其產物從核電站中泄露出來， 危害環境， 危及人體健康。事實上也的確發生過前蘇聯的切爾諾貝利核電站的核燃料泄露等事故。
但是， 隻要對核電站的安全問題給予足夠的重視， 這類事故是可以避免的。
原子核能的和平利用有著廣闊的前景， 對人類的未來會產生深刻的影響。
