物理选修3选修3-5第十九章 原子核7 核聚变教案及反思

19.7  核聚变

1、氢弹

大家知道，核能的利用除了裂变能外，还有聚变能。另外从结合能曲线上可以看到，氘、氚、锂等轻元素都可用作为核聚变反应的原料。

      氢是最难发生聚变反应的装料。至于氚，它易发生聚变反应，但在自然界中含量十分稀少，必需花费巨大的投资才能制备它。而只有氘，它是热核反应的积极参加者，又比氢容易控制，并在自然界中也有一定的含量。它在普通海水中占0.0148％，即6757个氢原子中只有一个是氘原子，也就是说每升海水中，大约含氘0.003克。

      由于地球上有着大量海水，经过估算氘的储量竟高达35万亿吨，如能全部提炼出来，就足够人类用上千百亿年。由于聚变反应释放的能量比裂变能大得多，加上聚合反应速度也特别快。这样就有可能利用不可控的聚变反应制造出威力远大于原子弹的氢弹。如果人们采用某种方法把氢弹所需的核装料安置在原子弹的周围，一旦原子弹引爆后就能产生几百万度高温，促使核聚变反应连续不断地进行下去，这就是氢弹爆炸的原理。

      理论计算表明，如果一公斤氘氚混合物全部聚变，就能释放出约为58000吨梯恩梯当量的能量，这比起相同质量的裂变反应所释放的能量约大四倍。而且在氢弹的构造中，不存在像原子弹构造中所提及的临界质量问题的限制。故氢弹可以做得较大，其爆炸威力也就更大。

      当然，氢弹也受到核装料的数量和运输条件等方面的限制。它们在常温、常压下都是气态物质，存在着体积大不易存放的不利之处。为了能把氘和氚密集起来，就要加低温(一般为零下200多摄氏度)液化或加上超高压固化，只有这样才能把氘、氚用作氢弹的装料。

      世界上第一颗氢弹的爆炸是美国于1952年11月1日，在太平洋的珊瑚岛(即马绍尔群岛)上进行的。所用的核装料是液态氘、氚混合物，放称之为“湿法”氢弹。其结构既庞大又复杂，总重量高达65吨，根本无法用飞机运载。而实际上它仅仅是一个热核试验装置。但其爆炸威力很大，相当于一千万吨梯恩梯，是投在广岛弹的500倍。

      然而，随着氢弹技术的发展，人们终于找到了另外一种比较理想的氢弹装料，这就是氘化锂6。它在原子弹爆炸所形成的高温下，可裂解为氘和锂6，而锂6俘获中子后所生成的氚就能和氘在高温下进行核聚变反应。相比之下，这种氘化锂化合物的成本比氘低得多。而特别应该指出的，它是一种稳定的固态化合物，因而便于长期保存，更不需要庞大的冷冻装置，所以氢弹的体积和重量均可大大缩小，故也称之“干法”氢弹。这就为以后把它制造成为一种有实际军事价值的热核武器，创造了十分有利的条件。

      在近代核武器的研制中，还有一种“氢铀弹”，即在氢弹外面再包上一层厚厚的铀238。由于铀238本身也不存在临界质量的问题，故可包得很厚；加上铀238在自然界中的丰度很高，人们能容易取得它，故核装料的成本可大大降低。显然，这种氢铀弹的爆炸威力要比普通的氢弹大得多，而且裂变能和聚变能大致上各占一半，但有时裂变能所占的比例达80％。爆炸后的放射性裂变产物的污染程度也特别严重，为此人们常称它为“肮脏”氢弹。

      美国人曾在1954年3月1日，利用马绍尔群岛中的比基尼岛，进行了第一次铀氢弹爆炸。其威力之大，震动了全世界，相当于1500万吨梯思梯，总重量为20吨。另外值得注意的是，当时刚好有一阵放射性尘埃降落在一艘日本福龙丸号渔船上，船上的23名渔民就成了受害者而得了放射病，其中一人在半年后死亡，船上的鱼当然也受放射性污染而全部销毁了，为此激起了日本人民的强烈抗议。

      美国从1945年7月16日试爆第一颗原子弹到1952年11月1日氢弹爆炸，共花了七年半时间，而轻便式的氢弹直到1954年才试制成功；前苏联从1949年9月22日爆炸第一颖原子弹后，经历四年时间，到1953年8月12日成功地进行了用飞机运载的氢弹爆炸；英国从1952年10月3日第一次原子弹试验到1957年第一次热核试验，经过四年半时间；法国从1960年2月13日第一次原子弹试验到1968年8月24日第一次热核试验，经过八年半时间；而中国从1964年爆炸原子弹后，到1967年氢弹爆炸试验成功，前后仅用了两年零八个月时间。

      当今世界上拥有核武器最多的是美苏两国，它们为了能在核军备竞赛中取得垄断地位，并对无核国家进行核讹诈，于1963年8月伙同英国在莫斯科签订了三国核武器禁试条约，其目的是为了约束别国的核试验，而它们三国却仍可进行地下核试验。截止1977年底，美国核试验达595次，苏联为283次，核爆炸的累计当量约为22000万吨梯思梯。早在1961年10月30日，苏联已爆炸了五千万吨级梯思梯当量的热核装置和一亿吨级的超级氢弹。当然，美国也完全有能力制造这种超级炸弹，其威力甚至会更大。

      然而，中国为了打破美苏的核垄断和维护世界和平事业，正在独立自主地发展自己的核武器。同时，法国也在独立研制自己的核武器。这就使得三国禁试条约已成为一纸空文，直接动摇了美苏的核垄断地位。

      到了1978年，美苏的核军备竞赛又出现了新的升级。美国首先正式宣告要生产“中子弹”，这是美苏两国已经研究了将近20年的一种新式核武器。实质上它也只不过是一种所渭小型“干净”氢弹。小型是指它的爆炸威力只有一千吨梯恩梯当量，仅是第一颗原子弹的二十分之一；而“干净”是指用少量的裂变燃料引爆。因此爆炸结果没有很大的放射性污染，而且它的冲击波和光辐射的破坏作用被局限在很小的范围内。

      中子弹主要的杀伤作用是由氘－氚聚变反应中所放出的高能量中子，它能容易地穿透坚厚的各种物体而置人于死地。它对各种物质财富和建筑物的破坏作用是不大的，辐射的寿命也很短，大约几小时后就能消失，人就能进入被这种炸弹袭击过的地区。如用原子弹或氢弹则辐射寿命很长，需几个月后人们才能进入。当然，这种炸弹只有不用核爆炸来引爆，如用大功率的激光束或其它无辐射高能装置引爆时，这才是名副其实的“中子弹”。

      总之，凡是利用核能(包括裂变能和聚变能)的武器，不论是原子弹、氢弹和中子弹，都称为核武器。而且不论“肮脏”还是“干净”，它们对人类都是有害的。看来不少科学家早先担心核能被用于战争的忧虑还是有根据的。至于那些在第二次世界大战中直接被原子弹伤害过的受害者，当然更有理由觉得核武器的可怕。

      但是无论怎样，这决不是核科学家研究和利用核能的真正目的。从人类历史发展的长河中，我们可以清楚地看到，任何一种科学上的新发现，都能增强人类支配自然的能力。而核能本身是一种高浓度的巨大能源，所以它也一定能被人们用来为人类的进步和文明服务。人类生存的目的总是希望能生活得更美好，而决不是为了破坏……

2、核动力的应用

　  自从地球上第一次出现人类以来，人类为了求得自身的生存和发展，一直在为扩大能源，提高自己驾驭大自然的能力而斗争。为此，人们曾经利用过大自然所给予的各种动力资源，从最初依靠自己的体力，发展到利用畜力、水力、风力和木材、煤炭、石油、天然气等等。

    然而，所有这一切能源，它们都离不开太阳能。太阳能是由于太阳上的大量氢核在极高的温度下，聚变为氦核时所释放的巨大的聚变能，并在其周围形成一圈强烈的热扰动，并以热辐射能照射到各个星球上，其中的很小一部分照射到地球表面，仅此已足以使地球上的各种生物繁殖生长。

    植物通过光合作用，把空气中的碳、氢、氧、氮合成为有机物，以化学能的形式储存在植物中。而牛马等家畜吃了青草，身体内细胞的新陈代谢作用变成为人类可以利用的畜力；同样，人食用了蔬菜、水果和肉类等食物后，就可形成能劳动的体力。

    另外，太阳光的热能使海洋里的水蒸发，形成天空中的云。云在大自然的作用下，以降雨的形式在高山上形成瀑布或在水库中把能量储存起来，经开发后由水轮发电机组转变为电能输送出去加以利用。还有，因大自然的变迁可把大量有机物质和森林等深埋在地层内，天长日久后形成石油和煤炭，及天然气等有用的动力资源。

    多少年来，人类就是利用太阳能所形成的动力资源，推动着生产力向前发展，并不断提高人们的物质生活和精神生活。而随着人口的不断增加，社会生产力的不断提高，以及人们对高度物质文明和精神文明的需要，使得人们对动力资源的需求也就越来越大。特别是一切现代化工业、农业、交通运输业、国防和科技等都需要大量的能源，才能维持其高速度发展。

    人口的增长和能源的消耗量基本上是正比关系，而随着人口的增长，能源的消耗量飞快地增加。人口50年翻一番，而能源消耗，从1956～1970年相隔15年就增加了一倍多。当然，各国的消耗量和其工业发达的程度有关。二十世纪七十年代，一个美国或加拿大公民每年耗能8.4吨石油。而这两国的人口只占世界总人口的6％，耗能却占了31.3％；相反，占世界人口10％的非洲人，耗能只占2％，平均每人只消耗0.31吨石油，远小于世界平均值每人1.6吨。

    由此设想，如果全世界每一个公民都能享受到像美国等发达国家的消耗量，那么即使人口的净增长率为“零”，其能源的消耗量也要猛增五倍。如按煤和石油的发热量进行计算，可得每吨石油相当于1.4吨煤的发热量，则每年要消耗450亿吨煤。而地球上已查明的有开采价值的煤炭储藏量为13000亿吨，这样不到30年就将开采完。另外，加上石油的储藏量也只能增加十年的开采量，也就是说40年左右就要用完。

    当然，人们还可采取其它种种措施，如开发水力、风力、太阳能等。但由于人口的不断增加(大约每秒钟增加一人)，生活对能源的需求仍将不断扩大。按保守的估计，即保持原有的耗能水平，那么煤的开采只能维持200年，而石油和天然气则更短，为50年左右。这就好像一个人只从银行取款，而没有新款存进去一样，总有一天要取完。为此，世界上许多国家，特别是那些动力资源贫乏的那些国家，都在寻找开发新能源的途径。而1939年巨大的核裂变能的发现，立即引起了各国能源专家的重视。

    由于第二次世界大战的特定环境，核能末被和平利用，而首先用于军事目的。但是第二次世界大战以后，美、苏、英、法等国都成立了利用核能的工业部门，大力发展和推广核能的应用。其实人们早在蒸汽机时代，就知道把热能转换成电能为人类服务。而核裂变能它也是以热能的形式出现的，只要把这些热量传递出来，就能对核能加以利用。

    核能只能在特定的反应堆内释放，首先转换成热能，然后通过蒸汽透平带动发电机组转换成对人类特别有用并能方便传送的电能，这就是核发电站的设想。原子能电站通过铀235核裂变链式反应可释放出巨大的热能，然后由载热剂(如水或二氧化碳气体等)把热量带到热交换器，把热量交换后，由主泵把载热剂送回到堆内。在热交换器内产生的蒸汽被送入了透平车间，推动蒸汽透平转动的同时带动发电机组，最后变成电能输送出去。

    由于美国在核能发展方面的有利条件，使得它早在1950年就曾利用核能进行发电的尝试。那是建造在布鲁克海文实验室的一个实验性核动力堆，电功率为3万千瓦，用天然铀作燃料，石墨作慢化剂，反应堆的芯部通入空气进行冷却，然后将被加热的空气引入热交换器，使水变成蒸汽，最后推动小型透平发电机组发电。另外在1951年12月20日，美国利用它的第一座生产钚的增殖反应堆的剩余热量来发电，电功率为100千瓦。

    虽然美国从五十年代初就开始研究和建造用于发电的各种类型的反应堆，但其真正的目的还是在于军事。1954年，美国建造的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号举行了下水典礼，这就是一个很好的证明。而世界上第一个使用核燃料把核能用来发电的核动力反应堆是在苏联首先建成的。这个核电站是在1954年6月27日开始正式运转发电的，它的电功率为5000千瓦。所用的核燃料是一种低浓缩铀，铀235占5％。慢化剂和反射层均用纯石墨砌块，反应堆内插有128根铀棒，铀的总装量为550公斤，每昼夜铀235的消耗量为30克。而英国第一座用气体冷却的动力堆的核发电容量为50000千瓦，它是在1956年5月英国的卡德霍尔建成投入运行的，可供30万人口的城市需要。同年美国在希平港建成了一号压水堆型核电站，其发电容量为60000千瓦。

    随着核科学技术的不断发展，核动力被广泛地用于各种舰艇和船只，并出现了许多种堆型，其中主要有，轻水堆、石墨气冷堆和重水堆。到1977年6月底，在已投产的核电站中，压水堆和沸水堆统称为轻水堆，比重约占81％，而在新建的核电站中，轻水堆的比重高达94％。核电站的总容量反从1976年的一亿千瓦到1980年为1.7亿千瓦，而1985年可达4亿千瓦。另外，从世界总能源的消耗量中看出，核能所占的比重从1976年的0.3％到1980年的3％增长了10倍。到1978年12月为止，世界上拥有反应堆的国家，已达几十个国家，而拥有大型核电站的国家也有十几个，功率从30万、40万、60万和90万千瓦，一直到100万，130万千瓦的核电站都相继投入了运行。

    目前世界上美国所拥有的核发电站最多，其次是苏联，而日本和法国的核发电也发展很快，而西德和英国的核发电容量则达几千万千瓦，就是印度的核发电容量1980年也为270万千瓦。核能源将成为—种普通的常规能源，它将成为人们日常生活必不可少的能源之一。