第五章核爆炸与核聚变   核爆炸核武器或核装置在几微秒的瞬间释放出大量能量的过程。为了便于和普通炸药比较,核武器的爆炸威力,即爆炸释放的能量,用释放相当能量的TNT炸药的重量表示,称为TNT当量。核反应释放的能量能使反应区(又称活性区)介质温度升高到数千万开,压强增到几十亿大气压(1大气压等于101325帕),成为高温高压等离子体。反应区产生的高温高压等离子体辐射X射线,同时向外迅猛膨胀并压缩弹体,使整个弹体也变成高温高压等离子体并向外迅猛膨胀,发出光辐射,接着形成冲击波(即激波)向远处传播。   核爆炸景象   ※核爆炸核爆炸发生的时候,首先产生的是发光火球,接着连续地产生蘑菇状烟云,这就是核爆炸的典型征象。火球核武器在距离地面一定高度的空中爆炸时,高温高压弹体向迅猛的四周膨胀并以X射线辐射加热周围的冷空气。热空气吸收高温辐射所具有的特点使得加热、增压后的热空气团是一个温度大致均匀的球体,并且温度、压强具有突变的锋面,这个热空气团称为等温火球。火球一面向外发出光的辐射,迅速地膨胀起来,同时温度、压强逐渐地下降,温度下降到3×10开时形成以40~50千米/秒的速度向四周运动的冲击波,其阵面依然发着耀眼的光芒。冲击波形成之后,火球内部的温度分布是表面低,向内逐渐升高,火球里面有一个温度均匀的高温核。冲击波阵面温度降低到大约高于2000开时,冲击波就慢慢地脱离火球,并按力学规律不断地向外传播,而最后呈现的地阵面不再发光。   蘑菇云是火球熄灭之后形成上升的烟云。冲击波在爆心投影点附近地面的反射和负相的抽吸作用使得地面掀起巨大尘柱,上升的尘柱和烟云连接在一起,这样形成高大的蘑菇状烟云,就称之为蘑菇云。   ※蘑菇云   ◎核爆炸方式   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,爆炸方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ◎空中核爆炸   距地面一定高度之上的核爆炸。爆炸瞬间先出现强烈明亮的闪光,后形成不断增大和发光的火球。冲击波经过地面反射回到火球后使火球变形,呈上圆下扁的“馒头”状,最后,从地面升起的尘柱和烟云共同形成高大的蘑菇云。在冲击波所到之处还可听到多声巨响。火球的最大直径和发光时间、蘑菇云稳定时的高度主要取决于爆炸的TNT当量。对于2万吨TNT当量的核爆炸,火球最大直径约为440米,发光时间约为2.4秒,稳定蘑菇云的高度约为11千米。   ※空中核爆炸   ◎高空核爆炸   高空核爆炸就是在距地面高度大于30千米处的核爆炸,从侧面看火球是一个竖直椭球,其膨胀、上升速度和最大半径都比空中核爆炸要大得多。爆炸高度如大于100千米,火球现象消失,因光辐射的照射,在80~100千米的高度上形成发光暗淡的大“圆饼”,同时在爆点下方和南北半球对称区域产生人造极光和其他地球物理现象,该区域称为共轭区。   ◎地面核爆炸   地面核爆炸与空中核爆炸基本上相似,地面核爆炸的特点是:火球的形状呈半球形,烟云与尘柱一开始就连接在一起上升,并向四周不断地抛出大量的沙石,形成大大地弹坑。   ※地面核爆炸   ◎地下核爆炸   地下核设备的爆炸会释放出大量的能量,使得试验点分布周围区域相关的地质和设备材料发生蒸发。实验过程中产生的高温和压缩的震动波会使试验点生成空隙和裂隙或者改变洞壁上的结构。孔穴是由于汽化作用和原始的地质介质的压缩所行成的,孔穴的半径可以根据爆破能的作用力、埋藏的深度以及地质介质的强度而预计出来,孔穴的最大尺寸在爆炸发生后的几秒之内即可达到。在接下来的几秒钟里,就会发生爆炸、温度冷却、气压消散、孔穴内气体的成分开始按顺序冷凝,冷凝顺序按相对蒸汽压或沸点进行。首先,岩石和重放射性核素元素,同墙内壁上的熔融岩块一起,在洞的底部积聚成熔融的泥胶土。试验几小时或者是几天之后,上面的材料坍塌进入洞内,形成一个垂直的“碎石”竖井,这个“竖井”随着地面的扩大而不断地扩展,最后形成一个弹坑,其中部分倒塌的材料会落入熔融胶泥体内。如果最初的爆炸点位于地下水的下面,则地下水此时会再次涌入洞内。   ◎水下核爆炸   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,可以把爆炸的方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ※水下核爆炸   ◎核爆炸力学效应   核爆炸力学效应在低空核爆炸的爆炸能量中,冲击波约占50%,光辐射约占35%。早期的时候,核辐射约占5%,放射性沾染中的剩余核辐射约占10%,核电磁脉冲仅占01%左右。对于主要为聚变反应的核武器,剩余核辐射所占的比例则少得多。从上面的能量比例可以得出:冲击波所表现的力学效应起着主导性的作用,不过爆炸高度超过约30千米的高空核爆炸除外。地面核爆炸的力学效应除表现为向空气中传播冲击波外,还表现为在地表形成爆炸弹坑,以及向地下土石介质传播冲击波,冲击波衰减后不断地变换着形成压缩波和地震波。弹坑周围的土石介质经过冲击波的压缩和推动产生以加速度、速度和位移表征的强烈的地面运动。空中核爆炸的力学效应主要表现为空气中传播的冲击波以及冲击波拍打地面引起地下土石介质中的压缩波和地震波。水下核爆炸的主要力学效应是形成在水中的冲击波,在水面形成从爆心投影点向四周不断扩展的基浪,它是造成水面物体破坏的重要因素,如果爆炸深度的面积不大,但空气冲击波也不能被忽视。地下核爆炸中浅埋爆炸的主要力学效应为形成弹坑和土石介质中的冲击波,冲击波衰减成压缩波和地表波,引起强烈的地运动。封闭式爆炸主要是在爆点周围形成空腔,并在周围介质中传播冲击波、压缩波和地震波。   ※核爆炸力学效应   ◎核爆炸的杀伤和破坏效应   核爆炸主要是通过冲击波、光辐射、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性污染等效应对人体和物体起到一定的杀伤力和破坏力作用的。前面的四个都只在爆炸后几十秒钟的短时间内起作用,后者能持续几十天甚至更长时间才起到作用。冲击波可以摧毁地面上分布的构筑物和伤害有生命的动物。光辐射常见的有可见光和红外线两种,这样的光辐射能烧伤人的眼睛和皮肤,并使物体燃烧,引起严重的火灾。核爆炸早期裂变产物发射出贯穿能力很强的中子流和γ射线,可以贯穿并破坏人体和建筑物。裂变产物、未烧掉的核燃料和被中子活化的元素,都会由气化状态冷凝为厚厚的尘粒,沉落到地面上,造成对地面和空气的放射性严重沾染,所发出的γ和β射线称为核爆炸的剩余辐射,也能对人体造成一定的伤害。核爆炸发出的γ射线在空气分子上产生康普顿散射,散射出的非对称电子流在大气中激起向远方传播的电磁脉冲,分布的面积比较大,对战略武器系统的控制和运行以及全球无线电通讯构成大面积的干扰和威胁。知识链接核爆炸的杀伤和破坏程度同爆炸当量和爆炸高度有关。百万吨以上大当量的空中爆炸,起杀伤和破坏作用的主要是光辐射和冲击波,光辐射的杀伤和破坏范围尤其大,对于城市还会造成大面积的火灾。万吨以下的小当量空中爆炸,则以早期核辐射的杀伤范围为最大,冲击波次之,光辐射最小。空中爆炸一般只能摧毁较脆弱的目标,地面爆炸才能摧毁坚固的目标,如地下工事、导弹发射井等。触地爆炸形成弹坑,可破坏约两倍于弹坑范围内的地下工事,摧毁爆点附近的地面硬目标,但对脆弱目标的破坏范围则小得多。地面爆炸会造成下风方向大范围的放射性沾染,无防护的居民会受到严重危害。   1.你知道蘑菇云是什么吗?   2.核爆炸的方式有哪些种呢?   3.核爆炸的杀伤力是怎样的呢?   核爆炸防护与事例   ※比基尼岛引爆的原子弹对于核爆炸的各种杀伤和破坏因素都是可以进行防护的,只要采取相应的措施就能减轻或避免伤害。构筑工事就是比较有效的防护措施,特别是对于地下工事,如坑道和民防工事等等,防护的效果都比较好。只要工事不遭到破坏,里面的人员就是安全的,即使是简易野战工事,如堑壕、单人掩体等也有一定的防护效果。在简易工事内的人比在同距离处于开阔地面上人的伤情,一般都低于两个等级。暴露在开阔地面上的人如能利用沟渠、土丘和弹坑等有利的地形迅速地卧倒,并尽可能将身体暴露部位遮蔽起来,这样也可以减轻伤害的面积。对放射性沾染的防护是一个比较复杂的问题,应该具体查明沾染的情况,撤出沾染区并消除沾染,以减轻伤害。   ◎比基尼岛原子弹爆炸   这是一张由美国摄影师冒着生命危险拍下来的。   上图是在比基尼岛刚刚被引爆的原子弹,这其实是一枚真正的原子弹,有些不懂原子弹是的人都说这是一枚氢弹,氢弹爆炸不可能呈现出这样的形状的。可见,说它是一枚氢弹是完全不正确的。   ※原子弹爆炸后刚刚要出现冲击波的瞬间   ※原子弹爆炸水柱   ※比基尼岛的核辐射   原子弹在爆炸时,溅起的水柱的高度大约为3千米。无论在海洋里还是在陆地上,爆炸的高度都是如此,只有在空中爆炸的时候,蘑菇云才能达到19千米,在海洋里爆炸的水柱有3千米,冲击波的范围是分布在100千米左右,氢弹爆炸的冲击波范围达405千米,在1000千米以内闪光都可以看见,核裂变和核聚变的威力不是开玩笑的,它的威力很强大,世界上最强的武器就是原子弹。   美国曾经在比基尼岛进行了一次真正的原子弹爆炸,当量为3万吨TNT。   ※美国真正的原子弹爆炸   比基尼岛差点被这枚原子弹摧毁。美国公布的核试验图片是从核爆炸视频中截下来的片段,也有可能是美国摄影师拍摄的图片。知识链接·比基尼岛的核辐射·   美国总统杜鲁门宣布即将在比基尼岛进行两次原子弹爆炸试验,原子弹爆炸过后,有两件事情发生,第一是原子弹爆炸当天,正好碰见一位美国导演,这位美国导演受到原子弹爆炸启发,想到了如果女人穿上比基尼游泳衣就好看多了。第二件事就是核辐射,原子弹爆炸后的辐射强烈,让所有的人都不敢往哪里去了。美国总统杜鲁门命令军队前去消除掉核辐射,但是科学家说道:要想清除掉比基尼岛沙滩上的所有核辐射,就要将比基尼岛沙滩上所有的沙土全部都刨掉,但是要挖地300米深才可以完全清除掉核辐射。杜鲁门不假思索,直接明命令军队执行这项艰巨的任务。比基尼岛原子弹带来了这两件事。比基尼岛的原子弹核辐射远比诺贝利核电站要更厉害。因为在比基尼岛遭到核辐射的人就有十万人。有8000人死于核辐射。14250人死于各种疾病,但是主因都是核辐射造成的。   1.你知道怎样防御核爆炸吗?   2.通过美国比基尼岛核爆炸,你想到了什么呢?   什么是核聚变   核聚变是指氘或氚,主要是质量小的原子,在超高温和高压的条件下,发生原子核互相聚合的作用,生成新的质量笨重的原子核,并伴随着巨大的能量释放出的一种核反应形式。原子核中蕴藏着巨大的能量,能量的释放影响着原子核的变化。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,这就叫做核裂变,例如原子弹爆炸等等;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,就叫做核聚变,例如太阳发光发热的能量来源等等。   ※氢原子核   核聚变就是氢原子核结合成较重的原子核时放出巨大的能量。核聚变不属于化学变化的一种。   热核反应就是原子核的聚变反应,是当前最有前途的新能源。参与核反应的氢原子核,如氢、氘、氚和锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在短时间内产生巨大的热能,但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有效的控制产生与进行,即可实现受控热核反应,这正是目前在进行试验研究的重大话题。聚变反应堆的基础是受控热核反应。聚变反应堆一旦成功的话,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。   ◎类型   ※核反应   ※“第三代”聚变   D(氘)和T(氚)发生聚变会产生大量的中子,而且携带有大量的能量(14.1),中子会对人体和生物带来严重的危害。   聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁直接发生核反应。在用过一段时间之后就必须更换,这样是很费钱的,而且换下来的墙壁可能有放射性,这种放射性主要取决于墙壁材料的选择,成了核废料。还有一个不好的因素就是氚具有放射性,而且氚也可能跟墙壁产生直接的反应。   氘氚聚变只能算得上是“第一代”聚变,优点是燃料非常的便宜,缺点是内部含有有毒的中子。   氘和氦3反应是“第二代”聚变。这个反应本身是不产生中子的,但其中既然有氘,氘在反应的过程中会产生中子,可是总量非常非常的少。如果第一代电站必须远离闹市区,第二代估计则可以直接放在市中心。   氦3跟氦3反应是“第三代”聚变,这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称为终极聚变。   ◎反应条件   ※阳发光发热   目前,人类已经可以实现不受控制的核聚变,例如氢弹的爆炸。但是要想使能量被人类有效的利用,必须合理的控制核聚变的速度和规模,从而实现持续和平稳的能量输出。科学家正在努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还需要一段很长的距离。但是,我想科学发达的今天,一定会研究出来的,只不过是时间长久的问题而已。   ◎可控核聚变方式   目前常见的可控核聚变方式主要有:   1.超声波核聚变;   2.激光约束核聚变;   3.磁约束核聚变。   ◎应用   1.可控核聚变的发生条件   产生可控核聚变需要的条件是非常苛刻的。太阳就是依靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变发生正常的反应,而地球根本无法获得巨大的压力,只能通过提高地面的温度来进行弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成为直接的问题。2010年2月6日,美国政府利用高能激光实现了核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。   ※核聚变的反应装置   2.核聚变的反应装置   目前,托卡马克装置就是可行性较大的可控核聚变反应装置。   托卡马克的中央是一个环形的真空室,四周缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到发生核聚变的目的。   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak主要来源于环形、真空室、磁和线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。   目前,我国有两座核聚变实验装置。   3.核聚变的优劣势   优势:   (1)核聚变释放的能量比核裂变要更大一些;   (2)没有高端的核废料;   (3)不会对环境造成更大的污染,而且反应过程容易控制,核事故风险较低;   (4)燃料供应充足,地球上重氢有10万亿吨(每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油);   (5)无法用作核武器材料也就没有了政治干涉。   劣势:   反应要求极高,技术要求极高。   从理论上讲,用核聚变制造武器和提供部分能源,是非常有益的。但目前人类依然办法对它们进行较好的利用。   对于核裂变,由于原料铀的储量不丰富,政治干涉比较大,放射性与危险性大,核裂变的优势无法完全利用。截止到2006年,核能发电占世界总电力的约50%,这一现象说明了核裂变应用的规模之大,更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们做出相关的估计,预计到2025年之后,核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后,受控核聚变发电将广泛造福于人类。   ◎核聚变与恒星发光原理   当四个氢原子在高温下不断地靠近时,四个质子就会碰撞到一起,其中两个会发生突然的衰变,释放出两个反中微子和正电子,变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭,形成两个光量子。剩下的一共有两个中子、质子和电子,恰好形成一个氦原子。绝大多数的恒星都是通过质子的衰变而发出耀眼的光芒,这在日常生活中也具有很大的用途。   ◎另一定义   氢弹是比原子弹威力更大的核武器,主要利用核聚变来发挥作用的。   核聚变能释放出巨大的能量,但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须使核聚变在人们的控制下进行,这就是所谓的受控核聚变。   核聚变的过程与核裂变正好相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有比较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘和氚等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦的过程,它的光和热就是由核聚变产生出来的。   实现受控核聚变具有非常诱人的前景。不仅是因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取出来。经过精确的计算得出,1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的,因此受控核聚变的研究成功将使人类能够走出能源危机的困扰。   但是现在人们还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常的苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象得出,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着重重困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。最终的成果往往都赋予刻苦钻研的人,科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等等。最终预计得出,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类更好的服务。   ※裂变时靠原子核分裂而释放出能量   利用核能的最终目标就是实现受控核聚变,裂变时靠原子核分裂而释出巨大的能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘(读“dāo”,又叫重氢)和氚(读“Chuān”,又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。   核聚变较之核裂变有两个优点:   第一,地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。根据相关的推算,每升海水中含有003克氘,所以地球上分布在海水里的只有45万亿吨氘。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说,核聚变是取之不竭的能源。   第二,既干净又安全。因为核聚变不会产生污染环境的放射性物质,所以是非常干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,同时又是安全的。   目前实现核聚变有很多种方法。最早的著名方法是“托卡马克”型磁场约束法。这种约束法主要是利用通过强大电流所产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功,但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元的资金。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压,就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的迅速的上升。当温度达到所需要的点火温度时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量的热能。这种爆炸过程时间非常的短,只需要几秒钟的时间。如每秒钟发生三、四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。   核聚变原理上虽然比较简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,再加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变依然是可望而不可及的。   尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要人类去征服,但其美好前景的巨大诱惑力,逐渐吸引着各国科学家在奋力攀登。   ◎原理   简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2;   原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。   只要微量的质量就可以转化成很大的能量。   两个氢的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。   最重要的聚变反应有:   式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:   即每“烧”6个氘核共放出43.24兆电子伏特能量,相当于每个核子平均放出3.6兆电子伏特。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85兆电子伏特高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。   核聚变主要利用的燃料是氘和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量为40万亿吨。氚可以由锂制造。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。因此,核聚变能是一种取之不尽、用之不竭的新能源。   六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方面为人类展现出美好的前景。在可以预见的地球上人类生存的有限时间里,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上来说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要来说,是无限丰富的,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。   ※装置安全壳要想使原子核之间发生聚变,必须要使它们接近到飞米级。但是要达到这个距离,就要使原子核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力,要使原子核具有足够的动能,必须把它们加热到非常高的温度。因此,核聚变反应又叫做热核反应。原子弹爆炸产生的高温会引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。   氘是最重要的聚变燃料,氘的潜在来源是在海洋,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出相应的能量。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能和原子弹爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂变反应的办法,并建成了裂变电站。原以为氢弹爆炸后能建成聚变电站,但并没有那么简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应:   31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV   也只能在极高的温度(>40000000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能发生大量的转变。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效地约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都为此做出了巨大的贡献,也取得了许多重要的进展。   知识链接   氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。   1.你知道什么是核聚变吗?   2.你知道如何控制核聚变吗?   3.核聚变的优点和缺点,你知道吗? 第五章核爆炸与核聚变   核爆炸核武器或核装置在几微秒的瞬间释放出大量能量的过程。为了便于和普通炸药比较,核武器的爆炸威力,即爆炸释放的能量,用释放相当能量的TNT炸药的重量表示,称为TNT当量。核反应释放的能量能使反应区(又称活性区)介质温度升高到数千万开,压强增到几十亿大气压(1大气压等于101325帕),成为高温高压等离子体。反应区产生的高温高压等离子体辐射X射线,同时向外迅猛膨胀并压缩弹体,使整个弹体也变成高温高压等离子体并向外迅猛膨胀,发出光辐射,接着形成冲击波(即激波)向远处传播。   核爆炸景象   ※核爆炸核爆炸发生的时候,首先产生的是发光火球,接着连续地产生蘑菇状烟云,这就是核爆炸的典型征象。火球核武器在距离地面一定高度的空中爆炸时,高温高压弹体向迅猛的四周膨胀并以X射线辐射加热周围的冷空气。热空气吸收高温辐射所具有的特点使得加热、增压后的热空气团是一个温度大致均匀的球体,并且温度、压强具有突变的锋面,这个热空气团称为等温火球。火球一面向外发出光的辐射,迅速地膨胀起来,同时温度、压强逐渐地下降,温度下降到3×10开时形成以40~50千米/秒的速度向四周运动的冲击波,其阵面依然发着耀眼的光芒。冲击波形成之后,火球内部的温度分布是表面低,向内逐渐升高,火球里面有一个温度均匀的高温核。冲击波阵面温度降低到大约高于2000开时,冲击波就慢慢地脱离火球,并按力学规律不断地向外传播,而最后呈现的地阵面不再发光。   蘑菇云是火球熄灭之后形成上升的烟云。冲击波在爆心投影点附近地面的反射和负相的抽吸作用使得地面掀起巨大尘柱,上升的尘柱和烟云连接在一起,这样形成高大的蘑菇状烟云,就称之为蘑菇云。   ※蘑菇云   ◎核爆炸方式   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,爆炸方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ◎空中核爆炸   距地面一定高度之上的核爆炸。爆炸瞬间先出现强烈明亮的闪光,后形成不断增大和发光的火球。冲击波经过地面反射回到火球后使火球变形,呈上圆下扁的“馒头”状,最后,从地面升起的尘柱和烟云共同形成高大的蘑菇云。在冲击波所到之处还可听到多声巨响。火球的最大直径和发光时间、蘑菇云稳定时的高度主要取决于爆炸的TNT当量。对于2万吨TNT当量的核爆炸,火球最大直径约为440米,发光时间约为2.4秒,稳定蘑菇云的高度约为11千米。   ※空中核爆炸   ◎高空核爆炸   高空核爆炸就是在距地面高度大于30千米处的核爆炸,从侧面看火球是一个竖直椭球,其膨胀、上升速度和最大半径都比空中核爆炸要大得多。爆炸高度如大于100千米,火球现象消失,因光辐射的照射,在80~100千米的高度上形成发光暗淡的大“圆饼”,同时在爆点下方和南北半球对称区域产生人造极光和其他地球物理现象,该区域称为共轭区。   ◎地面核爆炸   地面核爆炸与空中核爆炸基本上相似,地面核爆炸的特点是:火球的形状呈半球形,烟云与尘柱一开始就连接在一起上升,并向四周不断地抛出大量的沙石,形成大大地弹坑。   ※地面核爆炸   ◎地下核爆炸   地下核设备的爆炸会释放出大量的能量,使得试验点分布周围区域相关的地质和设备材料发生蒸发。实验过程中产生的高温和压缩的震动波会使试验点生成空隙和裂隙或者改变洞壁上的结构。孔穴是由于汽化作用和原始的地质介质的压缩所行成的,孔穴的半径可以根据爆破能的作用力、埋藏的深度以及地质介质的强度而预计出来,孔穴的最大尺寸在爆炸发生后的几秒之内即可达到。在接下来的几秒钟里,就会发生爆炸、温度冷却、气压消散、孔穴内气体的成分开始按顺序冷凝,冷凝顺序按相对蒸汽压或沸点进行。首先,岩石和重放射性核素元素,同墙内壁上的熔融岩块一起,在洞的底部积聚成熔融的泥胶土。试验几小时或者是几天之后,上面的材料坍塌进入洞内,形成一个垂直的“碎石”竖井,这个“竖井”随着地面的扩大而不断地扩展,最后形成一个弹坑,其中部分倒塌的材料会落入熔融胶泥体内。如果最初的爆炸点位于地下水的下面,则地下水此时会再次涌入洞内。   ◎水下核爆炸   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,可以把爆炸的方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ※水下核爆炸   ◎核爆炸力学效应   核爆炸力学效应在低空核爆炸的爆炸能量中,冲击波约占50%,光辐射约占35%。早期的时候,核辐射约占5%,放射性沾染中的剩余核辐射约占10%,核电磁脉冲仅占01%左右。对于主要为聚变反应的核武器,剩余核辐射所占的比例则少得多。从上面的能量比例可以得出:冲击波所表现的力学效应起着主导性的作用,不过爆炸高度超过约30千米的高空核爆炸除外。地面核爆炸的力学效应除表现为向空气中传播冲击波外,还表现为在地表形成爆炸弹坑,以及向地下土石介质传播冲击波,冲击波衰减后不断地变换着形成压缩波和地震波。弹坑周围的土石介质经过冲击波的压缩和推动产生以加速度、速度和位移表征的强烈的地面运动。空中核爆炸的力学效应主要表现为空气中传播的冲击波以及冲击波拍打地面引起地下土石介质中的压缩波和地震波。水下核爆炸的主要力学效应是形成在水中的冲击波,在水面形成从爆心投影点向四周不断扩展的基浪,它是造成水面物体破坏的重要因素,如果爆炸深度的面积不大,但空气冲击波也不能被忽视。地下核爆炸中浅埋爆炸的主要力学效应为形成弹坑和土石介质中的冲击波,冲击波衰减成压缩波和地表波,引起强烈的地运动。封闭式爆炸主要是在爆点周围形成空腔,并在周围介质中传播冲击波、压缩波和地震波。   ※核爆炸力学效应   ◎核爆炸的杀伤和破坏效应   核爆炸主要是通过冲击波、光辐射、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性污染等效应对人体和物体起到一定的杀伤力和破坏力作用的。前面的四个都只在爆炸后几十秒钟的短时间内起作用,后者能持续几十天甚至更长时间才起到作用。冲击波可以摧毁地面上分布的构筑物和伤害有生命的动物。光辐射常见的有可见光和红外线两种,这样的光辐射能烧伤人的眼睛和皮肤,并使物体燃烧,引起严重的火灾。核爆炸早期裂变产物发射出贯穿能力很强的中子流和γ射线,可以贯穿并破坏人体和建筑物。裂变产物、未烧掉的核燃料和被中子活化的元素,都会由气化状态冷凝为厚厚的尘粒,沉落到地面上,造成对地面和空气的放射性严重沾染,所发出的γ和β射线称为核爆炸的剩余辐射,也能对人体造成一定的伤害。核爆炸发出的γ射线在空气分子上产生康普顿散射,散射出的非对称电子流在大气中激起向远方传播的电磁脉冲,分布的面积比较大,对战略武器系统的控制和运行以及全球无线电通讯构成大面积的干扰和威胁。知识链接核爆炸的杀伤和破坏程度同爆炸当量和爆炸高度有关。百万吨以上大当量的空中爆炸,起杀伤和破坏作用的主要是光辐射和冲击波,光辐射的杀伤和破坏范围尤其大,对于城市还会造成大面积的火灾。万吨以下的小当量空中爆炸,则以早期核辐射的杀伤范围为最大,冲击波次之,光辐射最小。空中爆炸一般只能摧毁较脆弱的目标,地面爆炸才能摧毁坚固的目标,如地下工事、导弹发射井等。触地爆炸形成弹坑,可破坏约两倍于弹坑范围内的地下工事,摧毁爆点附近的地面硬目标,但对脆弱目标的破坏范围则小得多。地面爆炸会造成下风方向大范围的放射性沾染,无防护的居民会受到严重危害。   1.你知道蘑菇云是什么吗?   2.核爆炸的方式有哪些种呢?   3.核爆炸的杀伤力是怎样的呢?   核爆炸防护与事例   ※比基尼岛引爆的原子弹对于核爆炸的各种杀伤和破坏因素都是可以进行防护的,只要采取相应的措施就能减轻或避免伤害。构筑工事就是比较有效的防护措施,特别是对于地下工事,如坑道和民防工事等等,防护的效果都比较好。只要工事不遭到破坏,里面的人员就是安全的,即使是简易野战工事,如堑壕、单人掩体等也有一定的防护效果。在简易工事内的人比在同距离处于开阔地面上人的伤情,一般都低于两个等级。暴露在开阔地面上的人如能利用沟渠、土丘和弹坑等有利的地形迅速地卧倒,并尽可能将身体暴露部位遮蔽起来,这样也可以减轻伤害的面积。对放射性沾染的防护是一个比较复杂的问题,应该具体查明沾染的情况,撤出沾染区并消除沾染,以减轻伤害。   ◎比基尼岛原子弹爆炸   这是一张由美国摄影师冒着生命危险拍下来的。   上图是在比基尼岛刚刚被引爆的原子弹,这其实是一枚真正的原子弹,有些不懂原子弹是的人都说这是一枚氢弹,氢弹爆炸不可能呈现出这样的形状的。可见,说它是一枚氢弹是完全不正确的。   ※原子弹爆炸后刚刚要出现冲击波的瞬间   ※原子弹爆炸水柱   ※比基尼岛的核辐射   原子弹在爆炸时,溅起的水柱的高度大约为3千米。无论在海洋里还是在陆地上,爆炸的高度都是如此,只有在空中爆炸的时候,蘑菇云才能达到19千米,在海洋里爆炸的水柱有3千米,冲击波的范围是分布在100千米左右,氢弹爆炸的冲击波范围达405千米,在1000千米以内闪光都可以看见,核裂变和核聚变的威力不是开玩笑的,它的威力很强大,世界上最强的武器就是原子弹。   美国曾经在比基尼岛进行了一次真正的原子弹爆炸,当量为3万吨TNT。   ※美国真正的原子弹爆炸   比基尼岛差点被这枚原子弹摧毁。美国公布的核试验图片是从核爆炸视频中截下来的片段,也有可能是美国摄影师拍摄的图片。知识链接·比基尼岛的核辐射·   美国总统杜鲁门宣布即将在比基尼岛进行两次原子弹爆炸试验,原子弹爆炸过后,有两件事情发生,第一是原子弹爆炸当天,正好碰见一位美国导演,这位美国导演受到原子弹爆炸启发,想到了如果女人穿上比基尼游泳衣就好看多了。第二件事就是核辐射,原子弹爆炸后的辐射强烈,让所有的人都不敢往哪里去了。美国总统杜鲁门命令军队前去消除掉核辐射,但是科学家说道:要想清除掉比基尼岛沙滩上的所有核辐射,就要将比基尼岛沙滩上所有的沙土全部都刨掉,但是要挖地300米深才可以完全清除掉核辐射。杜鲁门不假思索,直接明命令军队执行这项艰巨的任务。比基尼岛原子弹带来了这两件事。比基尼岛的原子弹核辐射远比诺贝利核电站要更厉害。因为在比基尼岛遭到核辐射的人就有十万人。有8000人死于核辐射。14250人死于各种疾病,但是主因都是核辐射造成的。   1.你知道怎样防御核爆炸吗?   2.通过美国比基尼岛核爆炸,你想到了什么呢?   什么是核聚变   核聚变是指氘或氚,主要是质量小的原子,在超高温和高压的条件下,发生原子核互相聚合的作用,生成新的质量笨重的原子核,并伴随着巨大的能量释放出的一种核反应形式。原子核中蕴藏着巨大的能量,能量的释放影响着原子核的变化。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,这就叫做核裂变,例如原子弹爆炸等等;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,就叫做核聚变,例如太阳发光发热的能量来源等等。   ※氢原子核   核聚变就是氢原子核结合成较重的原子核时放出巨大的能量。核聚变不属于化学变化的一种。   热核反应就是原子核的聚变反应,是当前最有前途的新能源。参与核反应的氢原子核,如氢、氘、氚和锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在短时间内产生巨大的热能,但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有效的控制产生与进行,即可实现受控热核反应,这正是目前在进行试验研究的重大话题。聚变反应堆的基础是受控热核反应。聚变反应堆一旦成功的话,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。   ◎类型   ※核反应   ※“第三代”聚变   D(氘)和T(氚)发生聚变会产生大量的中子,而且携带有大量的能量(14.1),中子会对人体和生物带来严重的危害。   聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁直接发生核反应。在用过一段时间之后就必须更换,这样是很费钱的,而且换下来的墙壁可能有放射性,这种放射性主要取决于墙壁材料的选择,成了核废料。还有一个不好的因素就是氚具有放射性,而且氚也可能跟墙壁产生直接的反应。   氘氚聚变只能算得上是“第一代”聚变,优点是燃料非常的便宜,缺点是内部含有有毒的中子。   氘和氦3反应是“第二代”聚变。这个反应本身是不产生中子的,但其中既然有氘,氘在反应的过程中会产生中子,可是总量非常非常的少。如果第一代电站必须远离闹市区,第二代估计则可以直接放在市中心。   氦3跟氦3反应是“第三代”聚变,这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称为终极聚变。   ◎反应条件   ※阳发光发热   目前,人类已经可以实现不受控制的核聚变,例如氢弹的爆炸。但是要想使能量被人类有效的利用,必须合理的控制核聚变的速度和规模,从而实现持续和平稳的能量输出。科学家正在努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还需要一段很长的距离。但是,我想科学发达的今天,一定会研究出来的,只不过是时间长久的问题而已。   ◎可控核聚变方式   目前常见的可控核聚变方式主要有:   1.超声波核聚变;   2.激光约束核聚变;   3.磁约束核聚变。   ◎应用   1.可控核聚变的发生条件   产生可控核聚变需要的条件是非常苛刻的。太阳就是依靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变发生正常的反应,而地球根本无法获得巨大的压力,只能通过提高地面的温度来进行弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成为直接的问题。2010年2月6日,美国政府利用高能激光实现了核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。   ※核聚变的反应装置   2.核聚变的反应装置   目前,托卡马克装置就是可行性较大的可控核聚变反应装置。   托卡马克的中央是一个环形的真空室,四周缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到发生核聚变的目的。   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak主要来源于环形、真空室、磁和线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。   目前,我国有两座核聚变实验装置。   3.核聚变的优劣势   优势:   (1)核聚变释放的能量比核裂变要更大一些;   (2)没有高端的核废料;   (3)不会对环境造成更大的污染,而且反应过程容易控制,核事故风险较低;   (4)燃料供应充足,地球上重氢有10万亿吨(每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油);   (5)无法用作核武器材料也就没有了政治干涉。   劣势:   反应要求极高,技术要求极高。   从理论上讲,用核聚变制造武器和提供部分能源,是非常有益的。但目前人类依然办法对它们进行较好的利用。   对于核裂变,由于原料铀的储量不丰富,政治干涉比较大,放射性与危险性大,核裂变的优势无法完全利用。截止到2006年,核能发电占世界总电力的约50%,这一现象说明了核裂变应用的规模之大,更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们做出相关的估计,预计到2025年之后,核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后,受控核聚变发电将广泛造福于人类。   ◎核聚变与恒星发光原理   当四个氢原子在高温下不断地靠近时,四个质子就会碰撞到一起,其中两个会发生突然的衰变,释放出两个反中微子和正电子,变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭,形成两个光量子。剩下的一共有两个中子、质子和电子,恰好形成一个氦原子。绝大多数的恒星都是通过质子的衰变而发出耀眼的光芒,这在日常生活中也具有很大的用途。   ◎另一定义   氢弹是比原子弹威力更大的核武器,主要利用核聚变来发挥作用的。   核聚变能释放出巨大的能量,但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须使核聚变在人们的控制下进行,这就是所谓的受控核聚变。   核聚变的过程与核裂变正好相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有比较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘和氚等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦的过程,它的光和热就是由核聚变产生出来的。   实现受控核聚变具有非常诱人的前景。不仅是因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取出来。经过精确的计算得出,1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的,因此受控核聚变的研究成功将使人类能够走出能源危机的困扰。   但是现在人们还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常的苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象得出,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着重重困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。最终的成果往往都赋予刻苦钻研的人,科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等等。最终预计得出,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类更好的服务。   ※裂变时靠原子核分裂而释放出能量   利用核能的最终目标就是实现受控核聚变,裂变时靠原子核分裂而释出巨大的能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘(读“dāo”,又叫重氢)和氚(读“Chuān”,又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。   核聚变较之核裂变有两个优点:   第一,地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。根据相关的推算,每升海水中含有003克氘,所以地球上分布在海水里的只有45万亿吨氘。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说,核聚变是取之不竭的能源。   第二,既干净又安全。因为核聚变不会产生污染环境的放射性物质,所以是非常干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,同时又是安全的。   目前实现核聚变有很多种方法。最早的著名方法是“托卡马克”型磁场约束法。这种约束法主要是利用通过强大电流所产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功,但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元的资金。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压,就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的迅速的上升。当温度达到所需要的点火温度时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量的热能。这种爆炸过程时间非常的短,只需要几秒钟的时间。如每秒钟发生三、四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。   核聚变原理上虽然比较简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,再加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变依然是可望而不可及的。   尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要人类去征服,但其美好前景的巨大诱惑力,逐渐吸引着各国科学家在奋力攀登。   ◎原理   简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2;   原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。   只要微量的质量就可以转化成很大的能量。   两个氢的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。   最重要的聚变反应有:   式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:   即每“烧”6个氘核共放出43.24兆电子伏特能量,相当于每个核子平均放出3.6兆电子伏特。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85兆电子伏特高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。   核聚变主要利用的燃料是氘和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量为40万亿吨。氚可以由锂制造。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。因此,核聚变能是一种取之不尽、用之不竭的新能源。   六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方面为人类展现出美好的前景。在可以预见的地球上人类生存的有限时间里,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上来说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要来说,是无限丰富的,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。   ※装置安全壳要想使原子核之间发生聚变,必须要使它们接近到飞米级。但是要达到这个距离,就要使原子核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力,要使原子核具有足够的动能,必须把它们加热到非常高的温度。因此,核聚变反应又叫做热核反应。原子弹爆炸产生的高温会引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。   氘是最重要的聚变燃料,氘的潜在来源是在海洋,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出相应的能量。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能和原子弹爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂变反应的办法,并建成了裂变电站。原以为氢弹爆炸后能建成聚变电站,但并没有那么简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应:   31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV   也只能在极高的温度(>40000000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能发生大量的转变。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效地约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都为此做出了巨大的贡献,也取得了许多重要的进展。   知识链接   氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。   1.你知道什么是核聚变吗?   2.你知道如何控制核聚变吗?   3.核聚变的优点和缺点,你知道吗? 第五章核爆炸与核聚变   核爆炸核武器或核装置在几微秒的瞬间释放出大量能量的过程。为了便于和普通炸药比较,核武器的爆炸威力,即爆炸释放的能量,用释放相当能量的TNT炸药的重量表示,称为TNT当量。核反应释放的能量能使反应区(又称活性区)介质温度升高到数千万开,压强增到几十亿大气压(1大气压等于101325帕),成为高温高压等离子体。反应区产生的高温高压等离子体辐射X射线,同时向外迅猛膨胀并压缩弹体,使整个弹体也变成高温高压等离子体并向外迅猛膨胀,发出光辐射,接着形成冲击波(即激波)向远处传播。   核爆炸景象   ※核爆炸核爆炸发生的时候,首先产生的是发光火球,接着连续地产生蘑菇状烟云,这就是核爆炸的典型征象。火球核武器在距离地面一定高度的空中爆炸时,高温高压弹体向迅猛的四周膨胀并以X射线辐射加热周围的冷空气。热空气吸收高温辐射所具有的特点使得加热、增压后的热空气团是一个温度大致均匀的球体,并且温度、压强具有突变的锋面,这个热空气团称为等温火球。火球一面向外发出光的辐射,迅速地膨胀起来,同时温度、压强逐渐地下降,温度下降到3×10开时形成以40~50千米/秒的速度向四周运动的冲击波,其阵面依然发着耀眼的光芒。冲击波形成之后,火球内部的温度分布是表面低,向内逐渐升高,火球里面有一个温度均匀的高温核。冲击波阵面温度降低到大约高于2000开时,冲击波就慢慢地脱离火球,并按力学规律不断地向外传播,而最后呈现的地阵面不再发光。   蘑菇云是火球熄灭之后形成上升的烟云。冲击波在爆心投影点附近地面的反射和负相的抽吸作用使得地面掀起巨大尘柱,上升的尘柱和烟云连接在一起,这样形成高大的蘑菇状烟云,就称之为蘑菇云。   ※蘑菇云   ◎核爆炸方式   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,爆炸方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ◎空中核爆炸   距地面一定高度之上的核爆炸。爆炸瞬间先出现强烈明亮的闪光,后形成不断增大和发光的火球。冲击波经过地面反射回到火球后使火球变形,呈上圆下扁的“馒头”状,最后,从地面升起的尘柱和烟云共同形成高大的蘑菇云。在冲击波所到之处还可听到多声巨响。火球的最大直径和发光时间、蘑菇云稳定时的高度主要取决于爆炸的TNT当量。对于2万吨TNT当量的核爆炸,火球最大直径约为440米,发光时间约为2.4秒,稳定蘑菇云的高度约为11千米。   ※空中核爆炸   ◎高空核爆炸   高空核爆炸就是在距地面高度大于30千米处的核爆炸,从侧面看火球是一个竖直椭球,其膨胀、上升速度和最大半径都比空中核爆炸要大得多。爆炸高度如大于100千米,火球现象消失,因光辐射的照射,在80~100千米的高度上形成发光暗淡的大“圆饼”,同时在爆点下方和南北半球对称区域产生人造极光和其他地球物理现象,该区域称为共轭区。   ◎地面核爆炸   地面核爆炸与空中核爆炸基本上相似,地面核爆炸的特点是:火球的形状呈半球形,烟云与尘柱一开始就连接在一起上升,并向四周不断地抛出大量的沙石,形成大大地弹坑。   ※地面核爆炸   ◎地下核爆炸   地下核设备的爆炸会释放出大量的能量,使得试验点分布周围区域相关的地质和设备材料发生蒸发。实验过程中产生的高温和压缩的震动波会使试验点生成空隙和裂隙或者改变洞壁上的结构。孔穴是由于汽化作用和原始的地质介质的压缩所行成的,孔穴的半径可以根据爆破能的作用力、埋藏的深度以及地质介质的强度而预计出来,孔穴的最大尺寸在爆炸发生后的几秒之内即可达到。在接下来的几秒钟里,就会发生爆炸、温度冷却、气压消散、孔穴内气体的成分开始按顺序冷凝,冷凝顺序按相对蒸汽压或沸点进行。首先,岩石和重放射性核素元素,同墙内壁上的熔融岩块一起,在洞的底部积聚成熔融的泥胶土。试验几小时或者是几天之后,上面的材料坍塌进入洞内,形成一个垂直的“碎石”竖井,这个“竖井”随着地面的扩大而不断地扩展,最后形成一个弹坑,其中部分倒塌的材料会落入熔融胶泥体内。如果最初的爆炸点位于地下水的下面,则地下水此时会再次涌入洞内。   ◎水下核爆炸   根据爆炸当量、爆炸相对于地面、水面的位置,可以把爆炸的方式分为空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸和水下核爆炸等五种。   ※水下核爆炸   ◎核爆炸力学效应   核爆炸力学效应在低空核爆炸的爆炸能量中,冲击波约占50%,光辐射约占35%。早期的时候,核辐射约占5%,放射性沾染中的剩余核辐射约占10%,核电磁脉冲仅占01%左右。对于主要为聚变反应的核武器,剩余核辐射所占的比例则少得多。从上面的能量比例可以得出:冲击波所表现的力学效应起着主导性的作用,不过爆炸高度超过约30千米的高空核爆炸除外。地面核爆炸的力学效应除表现为向空气中传播冲击波外,还表现为在地表形成爆炸弹坑,以及向地下土石介质传播冲击波,冲击波衰减后不断地变换着形成压缩波和地震波。弹坑周围的土石介质经过冲击波的压缩和推动产生以加速度、速度和位移表征的强烈的地面运动。空中核爆炸的力学效应主要表现为空气中传播的冲击波以及冲击波拍打地面引起地下土石介质中的压缩波和地震波。水下核爆炸的主要力学效应是形成在水中的冲击波,在水面形成从爆心投影点向四周不断扩展的基浪,它是造成水面物体破坏的重要因素,如果爆炸深度的面积不大,但空气冲击波也不能被忽视。地下核爆炸中浅埋爆炸的主要力学效应为形成弹坑和土石介质中的冲击波,冲击波衰减成压缩波和地表波,引起强烈的地运动。封闭式爆炸主要是在爆点周围形成空腔,并在周围介质中传播冲击波、压缩波和地震波。   ※核爆炸力学效应   ◎核爆炸的杀伤和破坏效应   核爆炸主要是通过冲击波、光辐射、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性污染等效应对人体和物体起到一定的杀伤力和破坏力作用的。前面的四个都只在爆炸后几十秒钟的短时间内起作用,后者能持续几十天甚至更长时间才起到作用。冲击波可以摧毁地面上分布的构筑物和伤害有生命的动物。光辐射常见的有可见光和红外线两种,这样的光辐射能烧伤人的眼睛和皮肤,并使物体燃烧,引起严重的火灾。核爆炸早期裂变产物发射出贯穿能力很强的中子流和γ射线,可以贯穿并破坏人体和建筑物。裂变产物、未烧掉的核燃料和被中子活化的元素,都会由气化状态冷凝为厚厚的尘粒,沉落到地面上,造成对地面和空气的放射性严重沾染,所发出的γ和β射线称为核爆炸的剩余辐射,也能对人体造成一定的伤害。核爆炸发出的γ射线在空气分子上产生康普顿散射,散射出的非对称电子流在大气中激起向远方传播的电磁脉冲,分布的面积比较大,对战略武器系统的控制和运行以及全球无线电通讯构成大面积的干扰和威胁。知识链接核爆炸的杀伤和破坏程度同爆炸当量和爆炸高度有关。百万吨以上大当量的空中爆炸,起杀伤和破坏作用的主要是光辐射和冲击波,光辐射的杀伤和破坏范围尤其大,对于城市还会造成大面积的火灾。万吨以下的小当量空中爆炸,则以早期核辐射的杀伤范围为最大,冲击波次之,光辐射最小。空中爆炸一般只能摧毁较脆弱的目标,地面爆炸才能摧毁坚固的目标,如地下工事、导弹发射井等。触地爆炸形成弹坑,可破坏约两倍于弹坑范围内的地下工事,摧毁爆点附近的地面硬目标,但对脆弱目标的破坏范围则小得多。地面爆炸会造成下风方向大范围的放射性沾染,无防护的居民会受到严重危害。   1.你知道蘑菇云是什么吗?   2.核爆炸的方式有哪些种呢?   3.核爆炸的杀伤力是怎样的呢?   核爆炸防护与事例   ※比基尼岛引爆的原子弹对于核爆炸的各种杀伤和破坏因素都是可以进行防护的,只要采取相应的措施就能减轻或避免伤害。构筑工事就是比较有效的防护措施,特别是对于地下工事,如坑道和民防工事等等,防护的效果都比较好。只要工事不遭到破坏,里面的人员就是安全的,即使是简易野战工事,如堑壕、单人掩体等也有一定的防护效果。在简易工事内的人比在同距离处于开阔地面上人的伤情,一般都低于两个等级。暴露在开阔地面上的人如能利用沟渠、土丘和弹坑等有利的地形迅速地卧倒,并尽可能将身体暴露部位遮蔽起来,这样也可以减轻伤害的面积。对放射性沾染的防护是一个比较复杂的问题,应该具体查明沾染的情况,撤出沾染区并消除沾染,以减轻伤害。   ◎比基尼岛原子弹爆炸   这是一张由美国摄影师冒着生命危险拍下来的。   上图是在比基尼岛刚刚被引爆的原子弹,这其实是一枚真正的原子弹,有些不懂原子弹是的人都说这是一枚氢弹,氢弹爆炸不可能呈现出这样的形状的。可见,说它是一枚氢弹是完全不正确的。   ※原子弹爆炸后刚刚要出现冲击波的瞬间   ※原子弹爆炸水柱   ※比基尼岛的核辐射   原子弹在爆炸时,溅起的水柱的高度大约为3千米。无论在海洋里还是在陆地上,爆炸的高度都是如此,只有在空中爆炸的时候,蘑菇云才能达到19千米,在海洋里爆炸的水柱有3千米,冲击波的范围是分布在100千米左右,氢弹爆炸的冲击波范围达405千米,在1000千米以内闪光都可以看见,核裂变和核聚变的威力不是开玩笑的,它的威力很强大,世界上最强的武器就是原子弹。   美国曾经在比基尼岛进行了一次真正的原子弹爆炸,当量为3万吨TNT。   ※美国真正的原子弹爆炸   比基尼岛差点被这枚原子弹摧毁。美国公布的核试验图片是从核爆炸视频中截下来的片段,也有可能是美国摄影师拍摄的图片。知识链接·比基尼岛的核辐射·   美国总统杜鲁门宣布即将在比基尼岛进行两次原子弹爆炸试验,原子弹爆炸过后,有两件事情发生,第一是原子弹爆炸当天,正好碰见一位美国导演,这位美国导演受到原子弹爆炸启发,想到了如果女人穿上比基尼游泳衣就好看多了。第二件事就是核辐射,原子弹爆炸后的辐射强烈,让所有的人都不敢往哪里去了。美国总统杜鲁门命令军队前去消除掉核辐射,但是科学家说道:要想清除掉比基尼岛沙滩上的所有核辐射,就要将比基尼岛沙滩上所有的沙土全部都刨掉,但是要挖地300米深才可以完全清除掉核辐射。杜鲁门不假思索,直接明命令军队执行这项艰巨的任务。比基尼岛原子弹带来了这两件事。比基尼岛的原子弹核辐射远比诺贝利核电站要更厉害。因为在比基尼岛遭到核辐射的人就有十万人。有8000人死于核辐射。14250人死于各种疾病,但是主因都是核辐射造成的。   1.你知道怎样防御核爆炸吗?   2.通过美国比基尼岛核爆炸,你想到了什么呢?   什么是核聚变   核聚变是指氘或氚,主要是质量小的原子,在超高温和高压的条件下,发生原子核互相聚合的作用,生成新的质量笨重的原子核,并伴随着巨大的能量释放出的一种核反应形式。原子核中蕴藏着巨大的能量,能量的释放影响着原子核的变化。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,这就叫做核裂变,例如原子弹爆炸等等;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,就叫做核聚变,例如太阳发光发热的能量来源等等。   ※氢原子核   核聚变就是氢原子核结合成较重的原子核时放出巨大的能量。核聚变不属于化学变化的一种。   热核反应就是原子核的聚变反应,是当前最有前途的新能源。参与核反应的氢原子核,如氢、氘、氚和锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在短时间内产生巨大的热能,但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有效的控制产生与进行,即可实现受控热核反应,这正是目前在进行试验研究的重大话题。聚变反应堆的基础是受控热核反应。聚变反应堆一旦成功的话,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。   ◎类型   ※核反应   ※“第三代”聚变   D(氘)和T(氚)发生聚变会产生大量的中子,而且携带有大量的能量(14.1),中子会对人体和生物带来严重的危害。   聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁直接发生核反应。在用过一段时间之后就必须更换,这样是很费钱的,而且换下来的墙壁可能有放射性,这种放射性主要取决于墙壁材料的选择,成了核废料。还有一个不好的因素就是氚具有放射性,而且氚也可能跟墙壁产生直接的反应。   氘氚聚变只能算得上是“第一代”聚变,优点是燃料非常的便宜,缺点是内部含有有毒的中子。   氘和氦3反应是“第二代”聚变。这个反应本身是不产生中子的,但其中既然有氘,氘在反应的过程中会产生中子,可是总量非常非常的少。如果第一代电站必须远离闹市区,第二代估计则可以直接放在市中心。   氦3跟氦3反应是“第三代”聚变,这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称为终极聚变。   ◎反应条件   ※阳发光发热   目前,人类已经可以实现不受控制的核聚变,例如氢弹的爆炸。但是要想使能量被人类有效的利用,必须合理的控制核聚变的速度和规模,从而实现持续和平稳的能量输出。科学家正在努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还需要一段很长的距离。但是,我想科学发达的今天,一定会研究出来的,只不过是时间长久的问题而已。   ◎可控核聚变方式   目前常见的可控核聚变方式主要有:   1.超声波核聚变;   2.激光约束核聚变;   3.磁约束核聚变。   ◎应用   1.可控核聚变的发生条件   产生可控核聚变需要的条件是非常苛刻的。太阳就是依靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变发生正常的反应,而地球根本无法获得巨大的压力,只能通过提高地面的温度来进行弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成为直接的问题。2010年2月6日,美国政府利用高能激光实现了核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。   ※核聚变的反应装置   2.核聚变的反应装置   目前,托卡马克装置就是可行性较大的可控核聚变反应装置。   托卡马克的中央是一个环形的真空室,四周缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到发生核聚变的目的。   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak主要来源于环形、真空室、磁和线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。   目前,我国有两座核聚变实验装置。   3.核聚变的优劣势   优势:   (1)核聚变释放的能量比核裂变要更大一些;   (2)没有高端的核废料;   (3)不会对环境造成更大的污染,而且反应过程容易控制,核事故风险较低;   (4)燃料供应充足,地球上重氢有10万亿吨(每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油);   (5)无法用作核武器材料也就没有了政治干涉。   劣势:   反应要求极高,技术要求极高。   从理论上讲,用核聚变制造武器和提供部分能源,是非常有益的。但目前人类依然办法对它们进行较好的利用。   对于核裂变,由于原料铀的储量不丰富,政治干涉比较大,放射性与危险性大,核裂变的优势无法完全利用。截止到2006年,核能发电占世界总电力的约50%,这一现象说明了核裂变应用的规模之大,更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们做出相关的估计,预计到2025年之后,核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后,受控核聚变发电将广泛造福于人类。   ◎核聚变与恒星发光原理   当四个氢原子在高温下不断地靠近时,四个质子就会碰撞到一起,其中两个会发生突然的衰变,释放出两个反中微子和正电子,变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭,形成两个光量子。剩下的一共有两个中子、质子和电子,恰好形成一个氦原子。绝大多数的恒星都是通过质子的衰变而发出耀眼的光芒,这在日常生活中也具有很大的用途。   ◎另一定义   氢弹是比原子弹威力更大的核武器,主要利用核聚变来发挥作用的。   核聚变能释放出巨大的能量,但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须使核聚变在人们的控制下进行,这就是所谓的受控核聚变。   核聚变的过程与核裂变正好相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有比较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘和氚等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦的过程,它的光和热就是由核聚变产生出来的。   实现受控核聚变具有非常诱人的前景。不仅是因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取出来。经过精确的计算得出,1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的,因此受控核聚变的研究成功将使人类能够走出能源危机的困扰。   但是现在人们还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常的苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象得出,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着重重困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。最终的成果往往都赋予刻苦钻研的人,科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等等。最终预计得出,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类更好的服务。   ※裂变时靠原子核分裂而释放出能量   利用核能的最终目标就是实现受控核聚变,裂变时靠原子核分裂而释出巨大的能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘(读“dāo”,又叫重氢)和氚(读“Chuān”,又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。   核聚变较之核裂变有两个优点:   第一,地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。根据相关的推算,每升海水中含有003克氘,所以地球上分布在海水里的只有45万亿吨氘。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说,核聚变是取之不竭的能源。   第二,既干净又安全。因为核聚变不会产生污染环境的放射性物质,所以是非常干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,同时又是安全的。   目前实现核聚变有很多种方法。最早的著名方法是“托卡马克”型磁场约束法。这种约束法主要是利用通过强大电流所产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功,但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元的资金。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压,就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的迅速的上升。当温度达到所需要的点火温度时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量的热能。这种爆炸过程时间非常的短,只需要几秒钟的时间。如每秒钟发生三、四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。   核聚变原理上虽然比较简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,再加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变依然是可望而不可及的。   尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要人类去征服,但其美好前景的巨大诱惑力,逐渐吸引着各国科学家在奋力攀登。   ◎原理   简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2;   原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。   只要微量的质量就可以转化成很大的能量。   两个氢的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。   最重要的聚变反应有:   式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:   即每“烧”6个氘核共放出43.24兆电子伏特能量,相当于每个核子平均放出3.6兆电子伏特。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85兆电子伏特高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。   核聚变主要利用的燃料是氘和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量为40万亿吨。氚可以由锂制造。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。因此,核聚变能是一种取之不尽、用之不竭的新能源。   六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方面为人类展现出美好的前景。在可以预见的地球上人类生存的有限时间里,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上来说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要来说,是无限丰富的,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。   ※装置安全壳要想使原子核之间发生聚变,必须要使它们接近到飞米级。但是要达到这个距离,就要使原子核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力,要使原子核具有足够的动能,必须把它们加热到非常高的温度。因此,核聚变反应又叫做热核反应。原子弹爆炸产生的高温会引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。   氘是最重要的聚变燃料,氘的潜在来源是在海洋,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出相应的能量。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能和原子弹爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂变反应的办法,并建成了裂变电站。原以为氢弹爆炸后能建成聚变电站,但并没有那么简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应:   31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV   也只能在极高的温度(>40000000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能发生大量的转变。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效地约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都为此做出了巨大的贡献,也取得了许多重要的进展。   知识链接   氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。   1.你知道什么是核聚变吗?   2.你知道如何控制核聚变吗?   3.核聚变的优点和缺点,你知道吗?

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