20世纪上半叶电能已经广泛应用,成为一系列新兴工业的能源基础。与此同时,在能源开发方面也正在发生深刻的革命,即人类掌握原子核能的时代到来了。根据爱因斯坦的质能关系:E=mc2 式中的E为物体的质量,c为光速(3xlO8 米/秒)。质能关系式是从理论上预言了发掘强大能源的可能性。但是,人类真正掌握原子核能的开发技术,却经历了艰难曲折的过程。

一、人工蜕变的发现

核反应比之人们熟悉的化学反应有着许多新的特点,是人类一个崭新的课题。最早从事这方面工作的是英国的著名科学家卢瑟福。他用 粒子轰击原子,才认识了原子的结构。他用α粒子轰击氮核,发现氮原子核转变成氧原子核(同位素17),同时释放出一个质子(氢原子核),即

147N 十 42He → 178O 十 11H.

显然,这一过程的发生不是原子的反应,而是原子核的反应,1919年卢瑟福的这一发现,是人类第一次实现了原子核的人工蜕变。

随着人们对原子核反应的继续探索,许多类似的核反应不断的被发现。在这中间。约里奥-居里夫妇发现,用α粒子轰击硼和铝,可以获得人工放射性元素-----氮和磷,反应方程如下:

105B + 42He → 137N + 10n

2718Al + 42He → 3015P + 10n

上式中的 137N 和 3015P 都是放射性同位素。当停止α射线的轰击后,它们还能继续保持着放射性,但持续的时间不长。氮的同位素( N)放出一个正电子后转变为碳,大约经过10分钟的时间,放射性强度减小一半(即半衰期);磷的同位素(3015P)放出一个正电子后转变为硅,其半衰期为2.2分钟。

约里奥-居里夫妇用人工蜕变的方法产生了放射性同位素,这一发现为人类探索和研究核反应开辟了一个崭新的领域。他们由此而获得了1935年的诺贝尔化学奖。

然而,利用α粒子轰击氮核、硼核和铝核,由此引起的核反应的能力和效率不高,因而很难显示出核反应过程中所蕴藏的巨大能量。这一个划时代的问题怎样解决呢?

二、用中子产生放射性元素

当英国物理学家查德威克发现中子以后,引起了许多物理学家的重视,特别是年轻的物理学家费米立即采用中子来产生放射性元素。鉴于中于是电中性的,它不受靶核的静电排斥,所以中子肯定比α粒子(带正电荷)容易打进靶核而引起反应,尤其是引起一些重元素的核反应。费米基于上述的考虑,他和他的合作者们:阿玛尔迪、O.达戈斯蒂诺(O.D'Agostino)、拉赛蒂和埃米利奥·赛格雷(Emilio Segre),后来还有B.庞德科伏(B.Pontecorvo),用铍和镭作为中子源,进行了三年的紧张研究工作,首批发现了约40种新的放射性物质--同位素,取得了可喜的成就。

1934年,费米等人在一次偶然的机会中发现:通过石蜡过滤后的中子,它产生的核反应要比直接从镭+铍的源所产生的核反应要有效得多。这一现象,一经确认,费米就天才地提出了解释,即中子通过石蜡,由于弹性碰撞的缘故使其放慢了速度。这种慢中子,在产生某种核反应上,它比快中子的能力将是成百倍地提高。费米抓住这个"慢中子"不放,进行了专门的研究,创造了中子慢化的数学理论,为开拓原子核物理方面作出了重大贡献。费米因此而获得了1938年的诺贝尔物理奖。

三、铀裂变的发现

在1934年,费米等人已开始用中子轰击铀的实验,发现反应物中存在一种新的放射性物质,但没有检测出来。德国的物理学家O.哈恩(O.Hahn,1879-1968)和奥地利的女物理学家L。迈特纳(Lise Meitner,1878--1968)相信他们能够找出这种"新的放射性物质",因而在柏林进行实验工作,开展了铀核裂变的重大课题研究。他们合作得非常成功。她和哈恩共同工作的结果,是制定了一套新的放射化学的实验方法。正是这种方法使得哈恩和他的助手F.斯特拉斯曼(Fritz Strassmann,1902--)在L.迈特纳逃亡后的几个月内成功地发现了铀裂变,取得了这项震惊世界的科研成果。 '哈恩和斯特拉斯曼用中于轰击原子序数为92的铀,发现得到了原子序数为56的钡,和原子序数为36的氪。这个裂变的反应方程如下:

10n + 23592U → 14156Ba + 9236Kr + 310n

1938年12月,哈思等人把这个结果寄给德国《自然科学》发表,并获1944年诺贝尔物理奖。

迈持纳在瑞典得悉这个消息后,指出:"它揭开了人类历史的新纪元。"她和侄子O.R.弗里希(Otto Robert Frisch,1904一)一起进行重核裂变的研究。他们在英国《自然》杂志上发表文章,给哈恩的实验作了正确的解释,并算出约有 200MeV的能量释放出来。1939年1月16日,他们又在同一杂志上发表文章指出:"中子引起的铀裂变:新型核反应"。他们对铀核裂变的物理图像、分裂的机制、分裂的产物,作出了明确的分析,特别是释放的能量估算比较准确,并指出:在核裂变的过程中有一部分质量按照爱因斯坦的质能关系式转变为能量,因此,重核裂变的过程一定伴随着巨大能量的释放。

链式反应的产生、控制和核反应堆

一、链式反应的产生

匈牙利物理学家L.西拉德(Leo 5zilard,1898--1964)是:最早考虑到实现链式反应(核裂变反应)的可能性。他首先从理论上进行探讨,设想一个中子引起一个原子核的裂变,在核反应的产物中又会产生一个以上的中子,使核的裂变反应继续维持下去,这样一来,原于核的裂变反应就象一根链条一样一环一环地持续下去。西拉德的设想,就是当时关于"链式反应"的雏型。

哈恩和斯特拉斯曼发现了铀核裂变后,受到西拉德设想的启发,也很快意识到实现"链式反应"的可能性。哈恩在1939年的《新原子》杂志上,指出:"根据计算,一个铀原子取得一个中子,它的质量数(即核内质子与中子的总和)是236,裂变后产生钡和氪,它们最稳定同位素的质量数分别是136和86,两者之和为 222,因此从铀裂变为钡和氨的过程,多出了12个中子."按照费米的理论,引起铀按裂变的中子并不需要快中于(高能量),那么由铀核裂变的产物--中子,就可以继续引起其它铀核裂变,以至出现"链式反应"。当时已经从意大利移居美国的费米,也清楚地看到了实现这种"链式反应"的可能性。

理论上提出链式反应的可能性是十分重要的,而实验则是检验理论正确与否的唯一标准。1939年约里奥-居里等人,通过实验找到了铀核裂变的产物确有中子存在,并且证实了一个中子引起一个铀核(U-235)裂变的过程会同时释放出2到3个中子.我们可以把这个裂变过程表示如下:

10n(慢中子) + 23592U → 23692U* (复合核)→ 9338Sr + 14054Xe + 310n

这个实验的意义很大,它证实了哈恩的基本设想,就是说利用慢中于轰击铀核后,裂变会持续下去.它使人类获得核裂变的"链式反应"有了实践的基础。 这样,铀核裂变的"链式反应"的图像已经变得非常清晰。核的裂变开始后,就由一个中子引起一个铀核(U-235) 裂变,而铀按裂变产生的2到3个中子,它们分别引起两个铀核裂变,使铀核裂变的数目不断地急剧增加。一个铀核裂变后,可以释放出约200MeV的能量,而且链式反应的倍增时间(从一个铀核裂变到它放出中子再引起另一个铀核裂变的时间)一般平均不到50亿分之一秒。理论计算表明,1克铀裂变释放的能量相当于燃烧3吨煤释放的能量,况且这么多的能量要在非常非常短的时问里集中释放出来,所以它具有十分强大的爆炸能力,其成力相当于20吨TNT炸药。这是十分惊人的。

裂变的"链式反应"有如此巨大的能量产生,是人类开发核能的基础。但是,人类要应用核能,就不仅仅要获得链式反应,还要控制链式反应,而且要有生产高纯"核燃料"的能力。这个伟大目标的实现,是以世界上第一座原于核反应堆建成和正常投入运转为重要标志的。

二、罗斯福批准"曼哈顿计划"

1939年初,N.玻尔把欧洲完成核裂变的消息带到美国后,引起了移居美国的费米、西拉德的强烈反响。西拉德认为,铀核裂变的链式反应可能被用于制造新式炸弹,如果希特勒掌握了这种武器后,那将会给全世界造成可怕的威胁。所以,西拉德和 匈牙利的物理学家E.威格纳(EMgene PauI Wi8ner,1902--)和E.特勒(Edwa出了e11er,1908--)去找爱因斯坦。他们的观点得到了爱因斯坦的支持。1939年8月2日,用爱因斯坦的名义写了一封致美国总统罗斯福的信件(由西拉德等起草)。

罗斯福收到信件后,于1939年10月11日下令组织"铀矿顾问委员会"。美国总统罗斯福于1941年12月6日(即珍珠港事件发生的前一天)批准了研制原子弹的"曼哈顿工程"计划。这项工程由美国新成立的军事政策委员会领导。该委员会由国防研究委员会主席布什(V.BMsh)博士任主席,成员有哈佛大学校长科南特(J.B.Conant),海军少校帕内耳(W.R.E.PMrnel),陆军后勤部参谋长、少将泰尔(W.D.St7er)和陆军准将、工程总负责人格罗夫期(L.R.Groves)。

为了验证链式反应的实际条件,美国决定建立一座原子反应堆,并委任费米为技术负责人。

三、费米等攻克原子反应堆的五个技术难题

1941年12月,费米来到芝加哥,领导一批物理学家在芝加哥大学期塔格运动场的西看台下,开始建造世界上第一座原于反应堆。

1、纯铀的提炼

当时美国存储的铀非常之少,远远满足不了需要。为了解决这个紧迫问题,美国衣阿华大学承担了这个责任,具体由斯佩丁(F,H.Speddin8,1902--)领导并成立专门研究小组;他们采用离子树脂交换法提纯铀,到1942年已分离出纯铀二吨,为实现"曼哈顿工程"提供了最基本的条件。

2、核燃料的获得

在链式反应中,U-235 在慢中子作用下有85%以上的裂变几率,而U-238则吸收慢中予放出β粒子,并不发生裂变,所以要采取特殊方法把天然的238-U(占99.3%)和235-U(仅占0.7% )分离出来。由于 238-U和235-U的性质相同,很难用化学方法把它们分开。这个难题是由美国化学家尤里(Har。Id C1aytn U,ey,1893--1981) 采用气体扩散法解决的。但是,这种气体扩散法花钱又费时,要获得足够的可裂变材料--核燃料,必须另辟途径。 1943年3月,E.O.劳伦斯等人利用U-238俘获一个中子经过两次β衰变,即可得到钚-239,成功地制造了钚,并证实钚-239是很好的可裂变材料。这是一个重大发现,它使大量的U-238变废为宝,对加快原子弹的制造起了很大的作用。

3、减速剂的获得

有了"核燃料"以后,集中目标解决的是控制链式反应进行的问题。前面说过,要使铵式反应产生,慢中子要比快中子更好,裂变的几率更高,所以需要中子的减速剂。开始时,约里臭-居里用重水(DZO)的抗核作减速剂。这种重水既不吸收中子,又有很好的速作用,不过当核反应激烈时重水有被蒸发的危险。针对这个缺点,费米等人主要采用石墨作中子减速剂,效果也很好。

4、临界体积

要使链式反应产生,除了有慢中子外,还要求浓缩铀(U-235)有一定的体积。这个体积的大小与链式反应密切相关。这是因为铀的体积越大,在反应中产生的中子被另一个铀核吸的几率也就越大,否则中子还未击中铀核时就逃逸出铀块之外,造成了中的损失,使链式反应无法进行。我们把维持链式反应进行的最小铀块的体积,叫做"临界体积"。这个临界体积和铀的浓度有关。

5、增殖速度的控制

有了"核燃料",又有了减速剂--石墨,还掌握了维持族式反应的条件--临界体积。除此之外,还必须严格控制中子的增殖速度,否则裂变的链式反应必然是破坏性的爆炸。为此目的,费米等人发现,采用金属镉(Cd)捧作为控制中于增殖速度来说,它是一个很好的材料。金属镉棒对于中子有很大的俘获截面,它能够大量地吸收中子。这样,我们可以把金属镉棒插入反应堆中,让它大量吸收中子,使中于的增殖系数小于1·,致使反应停止或者不能发生;改变金属镉棒插入反应堆的位置,使中子的的增殖系数等于1,则核反应就自持进行下去;拿出金属镉棒,使中子的增殖系数大于1,则核反应激烈地进行,乃至发生爆炸。

四、世界上第一座原子反应堆的建立

在费米的领导下,经过一年的努力,世界上第一座原子反应堆建成了。这个反应堆是石墨层和铀层相间堆砌而成的,共计57层。它的高约6.5米,宽9米,长10米。1942年12月2日,在费米挥下,开始抽出插入铀堆中的镉俸,经过一些时间,中于的殖系数达到1,使核反应处在自持阶段。这座反应堆的功率只有200瓦。但是,它已经说明人类掌握了原子核能的秘密,它已经标志看原于核能的光辉时代已经到来了。

原子核能的应用

人类掌握了原子核反应、链式反应的规律由后,就为核能的应用开辟了渠道。但是,由于20世纪40年代正在发生第二次世界大战,所以,在这种特定的历史条件下,原子核能首先用于战争,直到大战结束后才转向民用。

原子弹的制造

建立原子反应堆,是"曼哈顿工程"的一个重要部分。当第一座原子反应堆成功运转后,从1943年开始,"曼哈顿工程"进入了实际研制原子弹的阶段。

1943年1月,"曼哈领工程"的总负责人格罗夫斯少将与美国财团--社邦公司,签定了合同,决定在田纳西州橡树岭(Oak Ridge)建造功率为1800千瓦的空冷坦中子反应堆。同时,美国还在橡树岭兴建三个浓缩铀工厂。1943年11月,一个专门生产钚的工厂也在田纳西州建成并正式运转。在这短短的时间里,美国政府花费了钜额资金发展核工业,使之有了足够数量的铀-235和 钚-239.

有了这些条件,要制造原子弹是没有多大困难的了。特别是随着提纯工艺的提高(指气体扩散法)使235 U的纯度提高了,而且提纯钚-239也达到了新的水乎。这样,链式反应的临界体积就可以降到很小,以至可以制造出供飞机运载的原子炸弹。

然而,由谁来负责原子弹的研制工作呢? 出人意料的是,"曼哈顿工程"的总负责格罗夫斯选择了38岁的奥本海默(J.Roheft Op9enLeimer,1904--1967)。1942年7月,美国政府委任加利福尼亚大学的理论物理学教授奥本海默负责领导原子弹的设计和制造工作(当时制造原子弹的实验室主任)。

奥本海默亲自挑选了著名的物理学家费米、玻尔、康普顿、尤里、劳伦斯等人,参加原子弹的研制工作.原子弹的"炸药"是高纯浓缩的(90%以上)U-235或者Pu-239.一块球状的高纯浓缩铀,由于U-238的含量很少,这样就使U-235裂变产生的快中子被吸收的几率也很小.只耍沿球面逃逸的中子不多,使中子的增殖系数大于1,那么链式反应就能进行下去,以致发生急剧的爆炸。中子是在一个半径为R的球体内部产生,逃出去的中子几率正比于该球的表面积,即

表面积/体积=4πR2 /(4/3πR 3)=3/R

所以,R越大,逃掉的中子越少:当引爆装置内的普通炸药爆炸后,依*一股冲力把两块半球体的铀块合在一起,使整个铀球超过临界体积。这样,链式反应就急剧发生。这种不受控制的链式反应,在一千万分之一秒内,即告完成,巨大的能量突然释放,猛烈的爆炸就立刻发生了。

1945年7月16日凌晨五时十五分,在新墨西哥州离阿拉莫戈多96公里的特里尼蒂荒漠上,世界上第一颗原子弹(铀弹)试爆成功,其威力相当于2万吨级的TNT炸药。支承原子弹的约30米高的金属塔全被熔化。从此,奥本海默成了举世闻名的物理学家,被人们誉为"原子弹之父"。

美国政府耗费了20亿美元,并动员了50万人的代价搞了原子弹。参加原子弹制造的有杜邦公司等10多个财团,还有哥伦比亚大学、芝加哥大学和加利福尼亚大学等高等院校.

中华人民共和国成立以后,在困难的条件下;花了八年多的时间,取得了1964年第一颗原子弹的爆炸成功.