书城工业技术求知文库-能源略说
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第18章 能源种类(6)

尽管事后的调查表明,切尔诺贝利灾难的发生,除设计上的原因外,主要是由于管理混乱。可它对人们心理上的冲击还是巨大的,以至时隔6年半之后,人们还将“拂晓丸”称为“飘浮的切尔诺贝利”,为之惊惶失措。今天,切尔诺贝利灾难已成了世界核安全研究的教科书,它提醒人们:在开发、利用新能源的同时,千万别忽略了安全。

“热核反应”的探索

1927年的一个夏日,在德国的小城哥廷根的恩塔河畔浓郁的林阴下,奥古斯塔大学的两位学生——奥地利人豪特曼斯和英国人阿特金逊,正在讨论一个问题:高悬在头顶上的太阳为什么亿万年来发光不息?

其实,关于这个问题,早就有许多人探讨过。有人曾假设太阳是一只硕大无比的煤炉,在它上面进行着燃烧的化学反应:碳和氧比合生成二氧化碳,并放出热量。如果真是这样的话,整个太阳全部烧完也只能烧几千年。可是根据天文学家估计,太阳的年龄已有50亿岁左右。显然,这种假设是站不住脚的。

这两位大学生都是学原子物理的,这使他们能从一个崭新的角度去认识太阳发光的老问题。他们认为,太阳中含有大量氢,还有不少氦,要解开太阳能长期发光之谜,还要从这两种元素身上打主意。

太阳的表面温度有6000℃,在它的中心处,温度更高达2000万摄氏度;太阳上的压力也高达80万大气压,连气体也被压缩成7倍于铅密度。两位大学生认为,在这种情况下,氢、氦和其他较轻的元素的原子中的电子,早就脱离了原子核的束缚,跑到原子外面去了。

赤裸裸的原子核在如此高的温度和压力下狂飞乱舞,彼此的碰撞势必十分激烈。这些较轻的原子核通过碰撞,会聚合成较重的原子核,在这过程中,发生质量亏损,即聚合成的中等质量的原子核质量稍小于参加聚合的两个轻原子核的质量之和,这少掉的一点点质量转化成能量,以辐射的形式释放出去。

这“一点点”实在不能小看。

根据爱因斯坦关于质量能量转化的公式计算,这种能量大得惊人。

由于这种较轻原子核聚合成较重原子核的反应,是在高温条件下进行的,两位大学生把它称为“热核反应”,又称作“聚变反应”。他们认为,正是这种热核反应,才使太阳发出经久不息的热量。

10年之后,由于原子核研究的飞速发展,他们的理论已经获得了公认。

1937年,已加入了美国籍的德国物理学家贝特提出,太阳上的热核反应是氢聚合成氦。根据估计,太阳上的热核反应还能维持50亿年左右。

在太阳系的另外一个星球——地球上能不能发生这样的热核反应呢?

在地球上能够产生聚变反应的较轻的元素有好多种,其中最主要的是氢的同位素重氢。虽然重氢在氢元素中只占六千分之一,可地球上到处都有水和空气,尤其是水中有大量的氢元素,因此,重氢并不缺乏。

尽管这样,地球不可能像太阳那样成为一个火球,因为聚变反应需要上千万度的高温,地球上不可能有这样的高温。

德国物理学家、诺贝尔奖获得者尼恩斯特松了一口气:“可以说,我们是生活在用火棉做成的岛上。但是,感谢上帝,我们现在还没有找到能够点燃它的火柴。”

如果人类造出了这样一根火柴,情况又会怎么样呢?这个问题在1942年,被匈牙利物理学家特勒提了出来。

1942年的夏天,美国的“原子弹之父”奥本海默组织了一个专门小组,探索制造原子弹的各种途径。该小组在伯克利的加利福尼亚大学里进行讨论,此时大学生正在进行休假或军训,因此,参加讨论的7名科学家实际上占用了整个大学校园。

一次,特勒提出一个可怕的问题:当原子弹爆炸时,它的中心温度极高。

这么高的温度会不会使周围空气和水中包含的氢发生聚变反应?如果这种反应能发生,而且也是一种链式反应的话,那么,地球上的空气和水岂不是都要发生聚变反应,把整个地球变成一个燃烧着的星球了吗?

特勒的想法真是骇人听闻,震惊了科学精英们。“不大可能吧?不过,这问题得慎重研究一下。”于是,为慎重起见,特勒的想法被作为一个专门问题,交给一些物理学家去研究。研究结果表明,这样的可能性是不存在的。

不过,此后在特勒的脑中却滋生了一个想法:利用原子弹爆炸所产生的高温,制造一种“热核炸弹”。在这里,原子弹将起一“火柴”的作用,不过点燃的不是地球这个“火棉岛”,而是一种威力比它更大的超级炸弹。

7年后,特勒开始将他的想法变成现实。1949年11月,在美国西部的小城利弗莫尔,建立起了原子能委员会的热核实验室。特勒被任命为这个实验室的主任,这使他日后获得了“氢弹之父”的称呼。

新型氢弹试验

在浩瀚的太平洋西部,有着一个由1190个大大小小的珊瑚礁组成的链岛——马绍尔群岛。这不为人注目的群岛命运多舛,四度易主。而最后一次的易主,使马绍尔群岛声名大振。

1952年10月份,几千名美国科学家、工程师、机械师、陆海军官兵、政府官员陆续来到了马绍尔群岛的恩托威克岛,他们不是到这些迷人的珊瑚礁上来领略海风、接受阳光的,而是要来目睹一场毁灭生灵的试验——美国的第一次氢弹试验将在这里进行。

在离恩托威克岛75公里的艾路基拉伯小岛上,建立了一座庞大的防护建筑物。刚出世的“麦克”——这是那颗氢弹的绰号,静静地躺在那里。这初生的“婴孩”重达62吨,非常笨重。实际上,它是由3种炸弹组合而成的。

外面是氢弹,填装的是热核炸药重氢;里面是原子弹,装的是核炸药铀235;还有一颗是装有TNT的普通炸弹。

爆炸时,先引爆普通炸弹,用以引发原子弹爆炸。当原子弹爆炸时,产生几千万度的高温,这就引起重氢的聚变反应,造成氢弹爆炸。

11月1日清晨,“麦克”猛烈地爆炸了,所有不祥的预言也都应验了:

火球腾空升到了10000米的高空,巨大的火球直径达6500米。当火球刚刚消失,巨大的蘑菇状烟云急速翻卷着直冲九霄的时候,在远处观察飞机上的科学家发现艾路基拉伯岛消失了。岂止这样,以后的检查证明,在原来的小岛位置的海下,形成了一个约2000米直径、50米深的大坑。爆炸的力量也很快测算出来了,相当于约1000万吨TNT爆炸时的能量。这一数字是投在广岛那颗原子弹的数百倍。这完全是出乎意料之外的。

默默无闻的马绍尔群岛一下子出了名,但人们被告知,请您在地图上永远抹去艾路基拉伯岛。以后,它就只留在了人们的记忆中。

氢弹刚问世时,是一个令人望而生畏的巨物,连当时最巨型的轰炸机也无法运载,这使它失去了实践意义。后来经过努力,才实现了氢弹的小型化。

1966年1月15日,美国的一架B-52战略轰炸机在西班牙上空与加油机相撞坠毁,机载的4颗氢弹中,有1颗掉进海里,另3颗失落在山地上。一位农民发现了一个外壳在燃烧的银白色雪茄形物体,不知它是什么东西,勇敢地上去踹了几脚,用土将火盖灭了。事后他才知道,他踹的这个怪东西是一颗当量为2000万吨TNT的氢弹!可是,虽说这东西的爆炸力比“麦克”要大上一倍,但仅有1270千克重,只是“麦克”的1/50。

马绍尔群岛上空的蘑菇云消失后不过一年半,另一次氢弹试验又将开始。这是颗新式的“三级效应炸弹”,当量约2000万吨TNT。

炸掉艾路基拉伯岛的氢弹可以称为“二级效应炸弹”,即最初是原子燃料爆炸,再加上由它所引起的周围热核燃料的爆炸,这就能够大大地加强爆炸的效应。如果这样的炸弹外面再加上一层原子燃料,则会再增加一级效应而成为三级效应炸弹。这种“裂变—聚变—裂变”型的炸弹可视作为一种改进后的新型氢弹。

中国人有“后羿射日”的神话,说那时天上10个太阳一齐升起,照遍大地的每一个角落,整个大地一片光亮,绝没有阴影。希腊人有“太阳神出巡”

的神话,说阿波罗驾着他的金马车出外时,金灿灿的光芒从天顶直射下来,使人无法逼视。如果这些神话的作者能在公元1954年3月1日的马绍尔群岛去看一看的话,就会感到自己的想象力是如何的贫乏了。

3月1日上午8时,已升到半空的太阳将灿烂的光芒洒向广漠的太平洋,洒在马绍尔群岛比基尼珊瑚礁群上,使之蒙上了一层瑰丽的金色。

似乎是要与太阳媲美,比基尼上空腾升起了更为灿烂的火球。火球翻滚直上数十公里的高空,发出的光芒压过了太阳光,俨然是一个人造太阳,不,简直是一个比太阳亮上10000倍的人造太阳!

新型氢弹试验那天,日本的“幸福龙5号”正在邻近海域捕鱼。他们没有接到任何警告。这不是试验者的疏忽,因为此地离爆炸地点有220公里之遥,且处于天气预报中的上风位置。

“天有不测风云”,虽然天气预报反复验证过,但实际风向完全相反。

日本渔船上被覆盖了一层从晴朗的天空突然落下的“大雪”,船上的23名渔民马上就感受到了这“大雪”的危害。等他们在3月14日回到自己的港口烧津港时都已病倒并被痛苦折磨得奄奄一息。在被送到医院后,渔民才知道这场突如其来的风雪实际上是放射性微尘的雨。

渔船报务员久保山在几个月后死去了,其他的渔民也将在以后的岁月中一个个死去。继广岛之后,美国人又在日本人身上创造了一项第一——氢弹的第一批牺牲者。

1961年10月30日,前苏联在北冰洋的新地岛上进行了世界上最大的热核试验,其爆炸威力相当于6000万吨TNT,它所产生的冲击波绕地球转了3圈。

还有更厉害的,苏联人还宣布他们已能生产1亿吨级的氢弹,它落地后能炸出一个直径30公里的弹坑,使方圆60公里之内片瓦无存。好家伙,胆小的人听了这话恐怕会吓得晕死过去。

取之不尽的“海水燃料”

如果说原子弹是通过重核裂变形成较轻的原子核而释放出核能,那么氢弹则是利用轻的原子核聚变,形成重核而释放出核能。核聚变反应释放出来的能量要比核裂变的更大。

选择什么原料来进行核聚变反应,这一点目前已不成问题。我们知道,原子核之间的静电斥力大小与它们所带电荷的乘积成正比,因此原子核的原子序数愈小,将它们进行聚变时所需要的功能就愈小。所需的温度也就越低。

考虑到这一点,人们毫不犹豫地选中了氢为核聚变材料。氢有3种同位素,人们发现,氘(重氢)要比普通氢容易进行聚变;氚(超重氢)比氘更容易进行聚变。在这种情况下,用氘和氚作为核燃料进行聚合反应是最容易实现的一种热核反应。

21H氘+31H氚→42H氦+10H中子

人们之所以将核聚变炸弹叫做“氢弹”,原因就在于这些炸弹中的核装填原料都是氘和氚。

可惜的是,氢弹中的核聚变反应释放的巨大能量,是在几百万分之一秒的瞬间发生的。

这样快速的能量释放,除了用于爆炸外,毫无其他用途。能不能像费米当年控制核裂变反应那样,设计一种反应堆,使聚变反应的能量也可以一点一点释放出来,而不是一下子释放出来呢?

要想实现核聚变,首先必须使原子核之间的距离缩小到10-15米,就是说,使原子核接近到核力能够发生作用的范围内。但是,由于原子核都带正电,原子核之间存在着很大的静电斥力,要使它们接近到这种程度,就必须让参加聚变反应的原子核先获得足够的动能,这才能克服其间的静电斥力,使它们相互接近到可以发生反应的程度。

可是,要使这些很轻的原子核获得很大动能,就要施加极高的温度。1944年,费米曾估算出,要使氘和氚的混合气体实施聚变反应,其点火温度至少要达到五千万度,而如纯粹由氘来实现聚变反应,点火所需温度则高达四五亿度。

在如此高的温度作用下,氘会被电离。原来在氘核外运转的电子已经完全脱离了原子核的束缚,原来中性的氘,现在分离成了带正电和带负电的粒子组成的特殊气体,人们把这样的东西叫“等离子体”。它是除气态、液态、固态之外的物质的第四态。

那么,怎样防止这种处于“等离子体”状态的带电粒子四处飞散开来呢?

人们利用带电粒子在磁场中运动时,会受到磁场力的作用而绕着磁感线作螺旋式运动这一点,设计了一个特殊的磁瓶。它的轴向有一个强大的均匀磁场,它的磁感线都与轴平行,带电粒子在这个磁场里运动时,都绕着磁感线沿螺旋线形状的轨道运动,带正电的沿顺时针方向转,带负电的沿逆时针方向转。