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巨大能量的源泉——核裂变

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国能源报 发布时间:2012-10-12 浏览:
     中国储能网讯:从钻燧取火到马车油灯,从蒸汽机的发明到化石燃料的大规模开采利用……在人类文明的历史长河中无不伴随着能源利用方式的演进。核能的发现和利用开创了一个崭新的原子能时代,核能发电更为这个时代画上了浓墨重彩的一笔。一切还只是开始,或许陌生、或许费解、或许畏惧……在核电蓬勃发展的今天,本报与国家核电技术公司携手开辟了“走近核电”大型科普专栏,为您揭开核电的神秘面纱。
 
  发现核裂变
 
  1938年的一个冬夜,万籁俱寂。一位老人在柏林威廉大帝化学研究所的办公室内点燃了一支雪茄。这位老人就是德国放射化学家哈恩,此时,一帧帧记忆在老人紧锁的眉头前浮现。
 
  ——1896年法国的贝克勒尔观察到含铀矿物能使照相底片感光,由此发现了放射性;1919年英国的卢瑟福用放射性物质放出的带电粒子轰击原子核,实现了人工核反应;1932年英国的查德威克通过实验发现原子核内存在中子……核科学的发展突飞猛进,令人振奋。
 
  ——1938年,意大利的费米公布用中子作“炮弹”轰击铀的结果,认为发现了神秘产物——在元素周期表中比铀更靠后的“超铀元素”。当年夏天,约里奥·居里夫人重复了费米的实验后,推测“轰击”后的神秘产物可能是镧。然而,自己和斯特拉斯曼的实验分析结果表明,产物应该是原子量只比铀的一半多一点的钡,而且这一结果只可能在铀核发生分裂时才会产生。虽然在化学上可以确信自己没错,但在物理上又难以判定。想到这儿,哈恩老人又感到了困惑。
 
  雪茄燃尽,哈恩突然想起了曾与自己长期合作的奥地利女核物理学家迈特纳,于是铺开信纸,奋笔疾书,向迈特纳说明了自己的实验结果和想法。远在瑞典斯德哥尔摩物理实验室的迈特纳和她的外甥弗里斯接到来信后,很快在物理上论证了类似生物学中细胞有丝分裂的核裂变现象。从此,核裂变的发现得到了科学家们的证实和全面深入的研究。
 
  开启核能时代
 
  根据爱因斯坦的质能方程,每个铀核裂变时放出的能量,能够使一颗米粒儿跳动到肉眼可见的程度;而一克重的铀235全部裂变释放的能量如果用焦耳来衡量,就是8以后有10个0,即80000000000焦耳,1焦耳的能量可使1瓦的二极管发光1秒钟!核裂变所释放出的巨大能量,引起了科学家们的强烈兴趣。
 
  与核裂变发现失之交臂的费米踌躇满志,带领一批科学家在美国芝加哥大学的一个室内网球场建起了世界上第一座反应堆——芝加哥一号(CP-1)。反应堆的直径为7米,石墨与铀层叠布置57层,整个反应堆高6米。当反应堆中的中子经过石墨减速,慢悠悠地经过铀核附近时,一不小心就会撞上去。之后铀核会裂变成两个较轻的部分,同时放出大概两到三个中子,它们又将引起下一次裂变;如此循环下去导致发生了链式反应。反应堆里还插着一根能吸收中子的镉棒,调节它的插入深度,就能够控制核裂变的反应速率。
 
  1942年12月2日下午,随着费米一声令下,镉棒从反应堆中缓缓抽出,计数器“咔咔”作响,说明有中子产生。接着停止抽棒,计数器的声音此起彼伏,中子持续产生,链式反应开始了。在场的人们屏住呼吸,注视着仪器。当再次将镉棒插入反应堆中的时候,计数器响声逐渐消失。尽管这次试验中核裂变产生的功率只够点亮一盏小电灯泡,但是链式反应顺利完成。
 
  “意大利航海家已经登上了新大陆”,参加试验的科学家们通过电话密语兴奋地向当局报告了喜讯。的确,这一成就标志着人类实现了第一次自持链式裂变反应,开始了受控的核能释放。人类利用核能的时代开始了!
 
  (作者系核科学与技术专业博士刘志弢)
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