三、结合能的释放和利用

         只有将结合能释放出来,大家才可以设法利用它。当自由核子结合成某种核素时,这种原子核的结合能就全部释放出来了。但是,大家现在还无法采用让自由核子结合成核素的办法来获得结合能,因为要得到自由核子就不是件容易的事。可行的办法就是将结合能小的核转变为结合能大的核,以释放出部分结合能。从核的结合能图上可以得到两种具体的做法,一种是将重核分裂为中等质量的核,释放出部分结合能,另一种是将轻核聚合成中等质量的核,释放出部分结合能。前一种方法称为重核裂变,后一种方法称为轻核聚变。        

         1. 重核裂变                  

         由图19-11可以看出,重核的核子平均结合能比中等核的核子平均结合能小,若能设法将重核分裂为两个或三个中等核,必定会释放出一定量的结合能。例如, 核的核子平均结合能为7.5 MeV,所以总的结合能为

                   7.5 MeV ´ 238 = 1785 MeV .

这就是说,若将 核分散成238个自由核子,外界必须提供1785 MeV的能量。中等核的核子平均结合能为8.6 MeV,若组成 核的238个核子由自由状态组成若干个中等核,所释放出的结合能为

                   8.6 MeV ´ 238 = 2047 MeV .

可见,若将 核分裂为两个或三个中等核所释放出的能量为

                2047 MeV - 1785 MeV = 262 MeV .   

这就是重核裂变释放能量的道理。

         怎样才能使重核发生裂变呢?实验发现, 核和 都能够被快中子轰击而分裂,但 核可以用慢中子使它分裂。当 核受到慢中子的轰击而发生裂变时,可以分裂为 ,也可以分裂为 ,或者其他六十多种可能的分裂情况。下面写出这两种情况的分裂过程。第一种情况

                ,         (19-26)

其中

,

              .

第二种情况

                ,           (19-27)

其中

      ,

                   .                      除 外,其他重核,如 等也能够发生类似的裂变过程。另外,不仅中子能够引起重核裂变,其他粒子(如质子、氘、a 粒子和 g 光子等)都能诱发裂变。但是由中子引起的裂变占有重要地位。

         从式(19-26)和式(19-27)可以看到,在裂变过程中不仅释放出大量的能量,而且伴随着中子的发射。发出的中子数有多有少,平均地说, 每个 核裂变产生的中子为2.5个。这些中子又可以去诱发其他 核发生裂变,使裂变过程得以自持地继续下去,形成所谓链式反应,从而才可能在短时间内释放出大量的能量。但是,链式反应得以自持地进行,还必须满足一定的条件,这就是发生裂变的放射性同位素必须大于一定的临界体积或临界质量。如果体积不大,即使对于一块很纯的 ,中子很容易从表面逸出,使自持反应无法进行。

         原子弹的爆炸就是快速进行的未加控制的链式反应。在原子弹中装有两块丰度在90%以上的 同位素,体积都小于临界体积。当用普通炸药引爆而将两块拼压在一起成为一块时,就超过了临界值,链式反应得以剧烈进行。每个 核裂变时释放出的能量约为200 MeV,分配情况大致如下:

             碎片的动能                  170 MeV

             裂变中子的动能                5 MeV

             g 辐射能                      15 MeV

             伴随b -放射的中微子能量              10 MeV            

其中大部分能量都是可以利用的。

         链式反应也可以有控制地缓慢进行,这就是在核反应堆中发生的过程。核反应堆有广泛的用途。可以专用于核能发电,将裂块碎片的动能转变为电能,以对外提供动力;可以产生高强度的中子流,用以进行中子实验,或用以制造各种放射性同位素;可以由 制取可裂变同位素 ,作为另一种核燃料。

         2. 轻核聚变

         大家已经知道,氘核的核子平均结合能为1.11 MeV,若将两个氘核分散成两个自由质子和两个自由中子,外界必须提供的能量为

                    1.11 MeV ´ 4 = 4.44 MeV . 

而氦核的核子平均结合能为7.07 MeV,若将两个自由质子和两个自由中子结合成一个氦核,所放出的结合能为

                   7.07 MeV ´ 4 = 28.28 MeV .

可见,如果将两个氘核聚合成一个氦核所释放出的能量为

              28.28 MeV - 4.44 MeV = 23.84 MeV .  

这就是轻核聚变释放能量的道理。宇宙中能量的主要来源就是原子核的聚变;太阳和其他恒星向外界辐射的能量就是轻核聚变的结果。

         轻核聚变可以通过以下两种过程实现

                    ,

                   ,

                    ,

                   .

在第一组过程中,两个氘核(d)结合成一个氚核( , 氢的另一种同位素)和一个质子,然后氚核与另一个氘核结合成一个氦核和一个中子,并释放出21.6 MeV的能量。在第二组过程中,两个氘核结合成一个 核和一个中子,然后 核与另一个氘核结合成一个氦核和一个质子,并释放出21.6 MeV的能量。在这两组过程中,释放的能量是相等的,所用原料都是氘,氘在海水中有巨大的蕴藏量。

         要使氘核发生聚变,必须使氘核相互接近到“接触”的距离,氘核是带正电的,为了克服它们之间的库仑斥力,外界必须向氘核提供足够的能量。在分析了各种可能提供能量的方式之后得出结论,向氘核提供能量的合适方法就是加热。理论估计,实现聚变的温度应在10 keV(相当于108 K)。在如此高的温度下原子都被电离了,物质都以等离子态的形式存在。氘核将以极高的速率作热运动,互相碰撞而发生聚变。这种在高温下进行的轻核聚变也称为热核反应。

         要从聚变反应中获得巨大能量,还必须使聚变反应能够自持地不断进行下去。聚变反应得以自持,还要求等离子体的密度必须足够大,高温和高密度必须维持足够长的时间。可以把温度、密度和持续时间表示为下面的定量条件

                         ,                (19-28)

式中n是氘核的数密度,t是持续时间。上式就是著名的劳森(J.D.Lawson)判据,是实现自持聚变反应并获得能量增益的必要条件。

         未加控制的热核反应,人们已经实现了,氢弹就是这种热核反应的例子。在原子弹中加入适当比例的氢同位素,借助于原子弹爆炸时产生的巨大能量,使氢同位素达到高温和高密度,实现自持热核反应的条件而使反应得以持续进行。

         受控热核反应,人们已经进行了近四十年的研究。根据劳森判据,要实现自持聚变反应,必须将温度为108 K的聚变物质等离子体约束一段时间。但是,没有哪一种容器可以承受如此高的温度。磁约束是最早被研究的也是最有希翼的一种约束手段。大家已经知道,带电粒子在磁场中作螺旋线运动,回旋半径与磁感应强度成反比。所以,在很强的磁场中,每个带电粒子的活动空间都被约束在一根磁感应线附近的很小范围内。这就是磁约束的基本道理。磁场的具体形式有多种多样,最普遍的是环形,由环形磁场构成的磁约束装置,称为环流器,或称托卡马克(Tokamak)。人们估计,第一台在经济上有价值的可控聚变堆将在21世纪20年代运转。

       
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