爱因斯坦的能量魔术——核能

沈宁华

我们都喜欢看魔术,无中生有“大变活人”是最吸引人的.如果有人说他能用一个“苹果”变出一座“小山”,你相信吗?这是一个能源魔术.

提起能源,还有一个惊人的消息,就是地球上蕴藏的煤､石油等矿藏不久就将消耗殆尽.这个消息也许不新鲜了,但是,科学家是很认真的,他们正在努力寻找新能源,很成功的一种新能源就是核能.小小的原子核在裂变反应中所能释放的能量竟比化学反应中释放的能量约大5 000万倍!1 kg的铀裂变所释放的核能,相当于2 500 t煤燃烧所得到能量,前者体积只是一个苹果那样大小,而后者可以堆成一座煤山,这真像一个魔术.核能是一种干净的能源,它不会像我们现在燃烧的化石燃料那样向大气中排放大量的“温室气体”二氧化碳及大量的烟尘,不会对环境造成严重的破坏.

核能的问世经历了100多年,开始于对原子秘密的探索.19世纪末,英国物理学家汤姆逊发现了电子,法国物理学家贝克勒尔后来发现了放射性.1898年,居里夫人发现新的放射性元素钋,1902年,她经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭,放射性显示出核能的曙光.到了20世纪初,著名科学家爱因斯坦在1905年发表的“相对论”论文中推导出一个“奇怪的”公式——质能转换公式E=mc²,式中c为光速(约3×10⁸ m / s),E为能量,m为转换成能量的质量.能量等于质量乘以光速的平方.光速是一个极大的数值,所以只要有一点点质量转变成能量,就是一个惊人的数字.

看上去,这是一个形式上很简单的公式,但是很不好理解.大家都十分熟悉能量守恒和质量守恒,而爱因斯坦却与众不同,他把质量和能量连成一体来看,他告诉大家:质量可以变成能量,能量也可以变成质量.后来,科学家在核反应中确实发现了“质量亏损”.丢掉的质量哪里去了?实验证明,变成了能量.如果这些能量释放出来,就是人们所说的原子能或核能了.

1942年12月2日,著名科学家康普顿领导几十位科学家终于把上述的“魔术”预言变成了事实.他们在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆.虽然第一座核反应堆首次启动时,产生的功率仅能点亮一个0.5 W的灯泡,但标志着人类从此进入了核能时代.一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生,这是20世纪人类的一项伟大发现.

目前,使用核能主要有两种办法.一种是将较重的原子核打破,使其分裂成两半,同时释放出大量的能量.轰击原子核的子弹是中子,中子撞击铀原子核时,一个铀核吸收了一个中子而分裂成两个较轻的原子核,此时发生质量亏损(两个较轻的原子核的总质量小于原来铀核的质量),同时发生质能转换,放出很大的能量,并产生2个或3个新的中子.它们作为新的子弹继续轰击其他的铀原子核,反应便可以不断维持下去,称为链式反应,这就是举世闻名的“核裂变反应”.现在世界各国所建造的核电站,原理都是核裂变反应,用于军事上的原子弹爆炸,也是核裂变反应产生的结果.另一种核反应是,将两种较轻的原子核聚合成一个较重的原子核,核聚变又叫“热核反应”,它可以释放出比核裂变反应更多的能量,氢弹的原理就是热核反应.地球上,核聚变的材料非常丰富,它是氢的同位素——氘.在地球上存在氘和氧组成的重水,重水主要存在于海水中,1 L海水中的重水含的氘通过核聚变释放出的能量,相当于300 L汽油完全燃烧释放出的能量.全世界海水中所含的氘通过核聚变释放出的聚变能,可供人类在很高的消费水平下使用50亿年.

对核能发电怀有恐惧心理是大可不必的.在核反应堆中,科学家采用电子仪器自动调节控制棒插入的深浅来控制能量释放的速率,使能量慢慢释放出来,而原子弹则是不受任何控制的瞬间爆炸.打个比方,核电厂像一位有经验的优秀司机驾驶着一辆载重卡车,而原子弹则是一辆没有刹车横冲直撞的货车,所以不是一码事.核裂变反应的过程中所释放的大量核能,在反应堆中大部分都转变为热能,使反应堆的温度升高,这些热能通过一定的方法又转化成电能.在核反应堆外面修建有很厚的水泥防护层,用来阻挡核反应中产生的射线对人体的伤害.目前,科学家还没有掌握可控制热核反应的成熟技术,所以还不能应用到发电上.

我国最早建成的是浙江省秦山(一期)核电站,它使中国成为继美､英､法､苏联､加拿大和瑞典之后世界上第七个能自行设计､建造核电站的国家.

目前,我国正着手实施新的核能发展计划.我们的目标是:到2020年核能发电量将占整个发电量的6%,该水平是现有水平的三倍.

责任编辑 蔡华杰