核裂變和核聚變哪個能量大（核裂變和核聚變的例子）

20世紀30年代，物理學家的一個重大發現改變了人類歷史。原子核在“分裂或聚合”時，會釋放出驚人的能量。

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核裂變的發現

1938年底，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊軸核的實驗中發現，生成物中有原子序數為56的元素鋇。奧地利物理學家邁特納和弗里施對此給出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊（圖）。

弗里施借用細胞分裂的生物學名詞，把這類核反應定名為核裂變（nuclear fission）。

鈾核裂變的產物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪（鈾236為中間過程，不穩定），同時放出3個中子，核反應方程是

23???U＋?1n→1????Ba＋????Kr＋31?n

核裂變中放出中子，數目有多有少，中子的速度也有快有慢。以鈾235為例，核裂變時產生兩或三個中子。如果這些中子繼續與其他鈾235發生反應，再引起新的核裂變，就能使核裂變反應不斷地進行下去（圖）。

這種由重核裂變產生的中子使核裂變反應一代接一代繼續下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應（chain reaction）。

鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，很有可能碰不到鈾核而跑到軸塊外面去，鏈式反應不能繼續。只有當鈾塊足夠大時，核裂變產生的中子才有足夠大的概率打中某個鈾核，使鏈式反應進行下去。通常把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作臨界質量。

我國科學家錢三強、何澤慧夫婦于1947年在實驗中發現鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的1/300和1/5000。這一研究成果得到了廣泛的認可和贊譽。鈾核裂變時如果生成物不同，釋放的能量也有差異。如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能！

?1t標準煤燃燒時放出2.93×1001?J的熱量。

反應堆與核電站

原子核的鏈式反應也可以在人工控制下進行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設服務。其實，在第一個原子彈制成以前，科學家們已經實現了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學家費米就主持建立了世界上第一個稱為“核反應堆”的裝置，首次通過可控制的鏈式反應實現了核能的釋放。

圖是當前普遍使用的“熱中子（慢中子）”核反應堆的示意圖。

實際上，中子的速度不能太快，否則會與軸235“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發生核裂變。實驗證明，速度與熱運動速度相當的中子最適于引發核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。但是，核裂變產生的是速度很大的快中子，因此，還要設法使快中子減速。為此，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變為慢中子。常用的慢化劑有石墨、重水和普通水（也叫輕水）。

為了調節中子數目以控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些。這種鎘棒叫作控制棒。

?熱中子反應堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2％～4％）。

核燃料發生核裂變釋放的能量使反應區溫度升高。水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時也使反應堆冷卻。

?重水是兩個氘原子與一個氧原子形成的化合物，它的化學性質與普通水相同，但分子質量比普通水的大。

如圖，

反應堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發電機發電。這一部分的工作原理跟火力發電站相同。

第一回路中的水被泵壓入反應堆，通過堆芯時核反應放出的熱使水的內能增加，水溫升高，進入熱交換器后，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應堆里。

在熱交換器內，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機運轉。

在核電站中，只要“燒”掉一支鉛筆那么多的核燃料，釋放的能量就相當于10t標準煤完全燃燒放出的熱。一座百萬千瓦級的核電站，每年只消耗30t左右的濃縮軸，而同樣功率的火電站，每年要燒煤2.5×10?t！

建造核電站時需要特別注意防止放射線和放射性物質的泄漏，以避免射線對人體的傷害和放射性物質對水源、空氣和工作場所造成放射性污染。為此，在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產物放出的各種射線。核反應堆中的核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。

核聚變

兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變（nuclear fusion）。如圖，

一個氘核與一個氚核聚合成一個氦核的同時放出一個中子，釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應中平均每個核子放出的能量大3～4倍。這時的核反應方程是

有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續下去。

實際上，熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆（圖）。

太陽的主要成分是氫。太陽的中心溫度達1.6×10?K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氨核的反應不停地進行著，不斷地放出能量。太陽每秒輻射出的能量約為3.8×102?J，相當于1000億億噸。

煤燃燒所放出的能量，其中20億分之一左右的能量被地球接收?，F在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來自太陽，即太陽內部核聚變時釋放的核能。

太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應。科學家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！太陽的壽命已經有50億年了。

目前，人工產生的熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖所示，

首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。

此外，人們也一直在努力嘗試實現可控的人工核聚變，進而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優點。第一，輕核聚變產能效率高，也就是說，相同質量的核燃料，反應中產生的能量比較多。第二，地球上核聚變燃料氘和氚儲量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。

然而，核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。這構成了實現可控核聚變的主要困難。為了解決這個難題，科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。

磁約束帶電粒子運動時，在勻強磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質，這就是磁約束。如圖，

環流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）是目前性能最好的一種磁約束裝置。圖

是中國科學院的環流器裝置EAST。

慣性約束利用核聚變物質的慣性進行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射參加反應物質，使它們“擠”在一起發生反應。由于核聚變反應的時間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應（圖）。

在我國，中國工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置?？偟膩碚f，實現受控核聚變還有一段很長的路要走。