4. 链式反应与核反应堆
重核裂变现象被证实， 人们立即转向由此可能释放的核能。就在物理学家都注意这个研究动向时， 约里奥・居里和他的同事又发现了更重要的现象， 就是在铀核裂变释放巨大能量的同时， 还放出2 、3 个中子来。这就是所谓的“中子过剩”问题。
比较核的组成就可以发现， 轻核是质子和中子的数量近于相等； 中等大小的原子核往往是中子数略大于质子数； 而重核则是中子数比质子数大得多。于是， 在重核分裂为两个较轻核时， 就会出现中子过剩的情况。这一个发现使一些物理学家特别兴奋， 因为在玻尔最先通报发现重核裂变这一消息的华盛顿理论物理会议上， 就曾有人猜测， 如果铀核裂变后， 能释放出一个以上的中子， 这些中子又再引起附近铀核的裂变， 裂变就像雪崩一样继续下去。这种情景就如同图所示， 一个中子打碎一个铀核， 放出能量， 同时放出2 个中子； 这2 个中子又可以打碎另外2 个铀核， 同时各放出2 个中子， 一共4 个中子； 这4 个中子又能打破4 个铀核， 同时放出16 个中子。以此类推， 这种能连续引起原子核裂变的现象很像一个链条， 一环套一环。人们把这种反应过程称为链式反应。
“链式反应”这个术语听起来有些陌生， 但它实际也是一种常见的现象。一张纸的燃烧过程也是一种类似的链式反应。火种， 比如火柴提供了开始燃烧所必需的热量。纸的燃烧一旦开始， 它本身就能提供继续燃烧所必需的热量， 从而使火焰散布开。这就是说， 只要条件具备， 燃烧本身就能使燃烧的规模逐渐扩大， 可见， 链式反应的提出寄托了物理学家的一片希望。
约里奥・居里在实验室测量了两种溶液里中子的密度分布情况。这两种溶液中， 只有一种是含铀元素的。结果表明， 由于铀的存在， 在离中子源一段距离之外， 中子密度比没有铀的情况要大一些。链式反应是可能发生的。
物理学家进一步的实验研究发现， 每次核裂变所产生中子的实际平均数是2. 47 个。而且由于两次核反应的时间间隔极短， 大约是五十万亿分之一秒。这就意味着只要供核裂变反应用的铀块体积足够大， 使裂变开始后产生的中子在飞出铀块表面之前， 能撞击到另一个铀原子核， 那么链式反应就会发生。在极短的时间内释放出大得惊人的能量。
费米决定通过实验来弄清楚核裂变的详细情况， 以便确认链式反应究竟是一种设想， 还是真能实现。1941 年7 月， 费米主持开始了研究可实现链式反应的装置。当时有三个问题需要事先加以解决。
第一个问题是铀的来源问题。在1940 年物理学家已经235得知， 在天然的铀中主要有两种成份， 一种是铀-235 ( 92238 92U) ， 另一种是铀-238 ( U) ； 235U 只占0. 7%， 而238U 却占99. 3% 。而中子遇到238U 大多会被238U 原子俘获而不再发生裂变， 容易引起裂变的是235U， 可它的含量又太少。只要238U 存在， 就会使链式反应逐渐衰减以至于停止。这种状况有点类似烧湿树叶的情况， 即使点着火烧起来， 也可能会渐渐熄灭。唯一的出路是将235 U 分离出来， 至少也要除去相当多的238 U 。科学家们想了很多办法， 来攻这个难关。最后， 采用的是“气体扩散法”， 让235U 和238U 原子处于气体状态。这时， 235 U 原子的运动速度稍快一点。通过一连串过滤壁， 可以把它分离出来。虽然成本比较高， 但毕竟可以得到浓缩的235U 。
第二个问题是， 要找到合适的减速剂， 把快中子变为慢中子， 以便更有效地激发核裂变。费米已经知道水就是一种减速剂。但它有一个缺点， 容易吸收中子， 这样会增加中子的损失， 不利于链式反应的进行。重水， 即D2 O 能有效地使中子减速， 又不易吸收中子， 但是重水不易制备， 成本也比较高。另外， 链式反应中产生的热量也容易使它蒸发。铍也可以有使中子减速的作用， 但它的毒性比较大， 铍中毒这种病症就是这个时期从试制原子弹的科学家身上发现的。费米提出了一个很好的建议， 用石墨作减速剂， 经过实验， 认为这是一个理想的选择。
第三个问题是， 必须严格控制核裂变反应的速率， 以使裂变既能不断进行， 又不致引起爆炸。费米最终找的解决方案是， 利用镉能吸收中子的特性把镉棒插入反应装置， 通过调节镉棒的深度来控制裂变反应的速率。
这几个问题解决后， 于1941 年11 月， 费米主持在美国芝加哥大学运动场看台下的网球场开始了第一座原子核链式反应堆的建造。他们首先在地板的中央设置一木架， 然后在它上面放置一层石墨块， 再将铀与石墨一层一层地间错铺放。在石墨层中还预留了一些贯穿各层间的孔道， 供镉棒的插入和抽出使用。这样， 就形成了一座长近10 米、宽9 米高6. 5 米的反应堆。这个结构叫“堆”是为了保密而定的电报用代名， 后来一直沿用下来。1942 年12 月2 日， 反应堆已完全建好， 费米下令实验开始， 控制棒被徐徐从反应堆中抽出。下午3 时45 分， 仪表指示出链式反应出现了。经过了28 分钟的运行之后， 费米下令插入控制棒中止链式反应。至此， 世界上第一座人工控制的核反应堆运行成功。
反应堆成功运行后， 匈牙利物理学家维格内在现场拿出一瓶意大利葡萄酒， 送给费米以示祝贺。费米让在场的每个人都分享了这一成功的喜悦， 然后每人都在酒瓶商标上签上自己的名字， 在场一共42 人。另一位物理学家康普顿立即给在华盛顿的康南特打电话， 康普顿报告说： “那个意大利航海家已经登上新大陆。”这是指费米， 他是意大利人。康南特问道： “土人对他的态度如何？”回答说： “非常友好。”所以， 美国人说又一个意大利人发现了新大陆。这是指1492 年， 意大利航海家哥伦布发现了美洲新大陆。把1492 这个数中间两位颠倒一下就是1942 ， 这一年意大利物理学家费米进入了利用原子核能的新大陆。
尽管费米这个反应堆的功率只有0. 5 瓦， 但它却使人类第一次实现了原子核能的可控释放。从此人类开始了核能利用的新纪元。
1954 年， 前苏联又建成了世界第一座核电站， 人类开发和利用核动力的梦想终于成真。核电站的心脏就是核反应堆， 相当于火力发电站的锅炉。核裂变过程产生的巨大能量转变为热能， 通过载热剂( 如重水或普通水) 把热能带出去， 推动汽轮机， 再由汽轮机带动发电机发电。
核电站具有许多优点， 它消耗的原料比较少， 燃料的运输和储存都比较简单和方便。比如一座100 万千瓦的核电站， 一年只需要25 ～30 吨低浓缩的铀就够了，6 辆卡车一次就能把它运到现场。而同样发电量的火电站， 每年至少要烧300 万吨煤， 每天都需要几列火车来装运。核电装站对环境的污染也比较小， 不像火力发电站那样， 每天向空气倾吐大量的二氧化碳、二氧化硫和烟灰等有害物质。核电站发电成本也不比火力发电高。这些特别使得核电站的利用越来越有吸引力。当然， 也有人担心原子核裂变的原料及其产物从核电站中泄露出来， 危害环境， 危及人体健康。事实上也的确发生过前苏联的切尔诺贝利核电站的核燃料泄露等事故。
但是， 只要对核电站的安全问题给予足够的重视， 这类事故是可以避免的。
原子核能的和平利用有着广阔的前景， 对人类的未来会产生深刻的影响。
比较核的组成就可以发现， 轻核是质子和中子的数量近于相等； 中等大小的原子核往往是中子数略大于质子数； 而重核则是中子数比质子数大得多。于是， 在重核分裂为两个较轻核时， 就会出现中子过剩的情况。这一个发现使一些物理学家特别兴奋， 因为在玻尔最先通报发现重核裂变这一消息的华盛顿理论物理会议上， 就曾有人猜测， 如果铀核裂变后， 能释放出一个以上的中子， 这些中子又再引起附近铀核的裂变， 裂变就像雪崩一样继续下去。这种情景就如同图所示， 一个中子打碎一个铀核， 放出能量， 同时放出2 个中子； 这2 个中子又可以打碎另外2 个铀核， 同时各放出2 个中子， 一共4 个中子； 这4 个中子又能打破4 个铀核， 同时放出16 个中子。以此类推， 这种能连续引起原子核裂变的现象很像一个链条， 一环套一环。人们把这种反应过程称为链式反应。
“链式反应”这个术语听起来有些陌生， 但它实际也是一种常见的现象。一张纸的燃烧过程也是一种类似的链式反应。火种， 比如火柴提供了开始燃烧所必需的热量。纸的燃烧一旦开始， 它本身就能提供继续燃烧所必需的热量， 从而使火焰散布开。这就是说， 只要条件具备， 燃烧本身就能使燃烧的规模逐渐扩大， 可见， 链式反应的提出寄托了物理学家的一片希望。
约里奥・居里在实验室测量了两种溶液里中子的密度分布情况。这两种溶液中， 只有一种是含铀元素的。结果表明， 由于铀的存在， 在离中子源一段距离之外， 中子密度比没有铀的情况要大一些。链式反应是可能发生的。
物理学家进一步的实验研究发现， 每次核裂变所产生中子的实际平均数是2. 47 个。而且由于两次核反应的时间间隔极短， 大约是五十万亿分之一秒。这就意味着只要供核裂变反应用的铀块体积足够大， 使裂变开始后产生的中子在飞出铀块表面之前， 能撞击到另一个铀原子核， 那么链式反应就会发生。在极短的时间内释放出大得惊人的能量。
费米决定通过实验来弄清楚核裂变的详细情况， 以便确认链式反应究竟是一种设想， 还是真能实现。1941 年7 月， 费米主持开始了研究可实现链式反应的装置。当时有三个问题需要事先加以解决。
第一个问题是铀的来源问题。在1940 年物理学家已经235得知， 在天然的铀中主要有两种成份， 一种是铀-235 ( 92238 92U) ， 另一种是铀-238 ( U) ； 235U 只占0. 7%， 而238U 却占99. 3% 。而中子遇到238U 大多会被238U 原子俘获而不再发生裂变， 容易引起裂变的是235U， 可它的含量又太少。只要238U 存在， 就会使链式反应逐渐衰减以至于停止。这种状况有点类似烧湿树叶的情况， 即使点着火烧起来， 也可能会渐渐熄灭。唯一的出路是将235 U 分离出来， 至少也要除去相当多的238 U 。科学家们想了很多办法， 来攻这个难关。最后， 采用的是“气体扩散法”， 让235U 和238U 原子处于气体状态。这时， 235 U 原子的运动速度稍快一点。通过一连串过滤壁， 可以把它分离出来。虽然成本比较高， 但毕竟可以得到浓缩的235U 。
第二个问题是， 要找到合适的减速剂， 把快中子变为慢中子， 以便更有效地激发核裂变。费米已经知道水就是一种减速剂。但它有一个缺点， 容易吸收中子， 这样会增加中子的损失， 不利于链式反应的进行。重水， 即D2 O 能有效地使中子减速， 又不易吸收中子， 但是重水不易制备， 成本也比较高。另外， 链式反应中产生的热量也容易使它蒸发。铍也可以有使中子减速的作用， 但它的毒性比较大， 铍中毒这种病症就是这个时期从试制原子弹的科学家身上发现的。费米提出了一个很好的建议， 用石墨作减速剂， 经过实验， 认为这是一个理想的选择。
第三个问题是， 必须严格控制核裂变反应的速率， 以使裂变既能不断进行， 又不致引起爆炸。费米最终找的解决方案是， 利用镉能吸收中子的特性把镉棒插入反应装置， 通过调节镉棒的深度来控制裂变反应的速率。
这几个问题解决后， 于1941 年11 月， 费米主持在美国芝加哥大学运动场看台下的网球场开始了第一座原子核链式反应堆的建造。他们首先在地板的中央设置一木架， 然后在它上面放置一层石墨块， 再将铀与石墨一层一层地间错铺放。在石墨层中还预留了一些贯穿各层间的孔道， 供镉棒的插入和抽出使用。这样， 就形成了一座长近10 米、宽9 米高6. 5 米的反应堆。这个结构叫“堆”是为了保密而定的电报用代名， 后来一直沿用下来。1942 年12 月2 日， 反应堆已完全建好， 费米下令实验开始， 控制棒被徐徐从反应堆中抽出。下午3 时45 分， 仪表指示出链式反应出现了。经过了28 分钟的运行之后， 费米下令插入控制棒中止链式反应。至此， 世界上第一座人工控制的核反应堆运行成功。
反应堆成功运行后， 匈牙利物理学家维格内在现场拿出一瓶意大利葡萄酒， 送给费米以示祝贺。费米让在场的每个人都分享了这一成功的喜悦， 然后每人都在酒瓶商标上签上自己的名字， 在场一共42 人。另一位物理学家康普顿立即给在华盛顿的康南特打电话， 康普顿报告说： “那个意大利航海家已经登上新大陆。”这是指费米， 他是意大利人。康南特问道： “土人对他的态度如何？”回答说： “非常友好。”所以， 美国人说又一个意大利人发现了新大陆。这是指1492 年， 意大利航海家哥伦布发现了美洲新大陆。把1492 这个数中间两位颠倒一下就是1942 ， 这一年意大利物理学家费米进入了利用原子核能的新大陆。
尽管费米这个反应堆的功率只有0. 5 瓦， 但它却使人类第一次实现了原子核能的可控释放。从此人类开始了核能利用的新纪元。
1954 年， 前苏联又建成了世界第一座核电站， 人类开发和利用核动力的梦想终于成真。核电站的心脏就是核反应堆， 相当于火力发电站的锅炉。核裂变过程产生的巨大能量转变为热能， 通过载热剂( 如重水或普通水) 把热能带出去， 推动汽轮机， 再由汽轮机带动发电机发电。
核电站具有许多优点， 它消耗的原料比较少， 燃料的运输和储存都比较简单和方便。比如一座100 万千瓦的核电站， 一年只需要25 ～30 吨低浓缩的铀就够了，6 辆卡车一次就能把它运到现场。而同样发电量的火电站， 每年至少要烧300 万吨煤， 每天都需要几列火车来装运。核电装站对环境的污染也比较小， 不像火力发电站那样， 每天向空气倾吐大量的二氧化碳、二氧化硫和烟灰等有害物质。核电站发电成本也不比火力发电高。这些特别使得核电站的利用越来越有吸引力。当然， 也有人担心原子核裂变的原料及其产物从核电站中泄露出来， 危害环境， 危及人体健康。事实上也的确发生过前苏联的切尔诺贝利核电站的核燃料泄露等事故。
但是， 只要对核电站的安全问题给予足够的重视， 这类事故是可以避免的。
原子核能的和平利用有着广阔的前景， 对人类的未来会产生深刻的影响。
