[裂变聚变]一字之差有多难

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  2010年5月12日,是朝鲜已故国家主席金日成的冥寿之日,当日朝鲜《劳动新闻》的则公开报道再度引发了世人目光。报道称:“朝鲜科研人员在开发核聚变反应技术方面取得了值得自豪的成果,朝鲜核聚变反应技术取得的成功为开发新能源打开了突破口,开启了研发新科技的新阶段。”虽然朝鲜官方媒体只讲新能源,没有提到核武器,但世界的第一反应却是:朝鲜要搞氢弹!因为目前核聚变技术最成功的运用就是氢弹,而用核聚变发电难度极高,全球最先进的多个国家合作研究几十年也没成功。
  朝鲜自2006年宣布成功进行了以核裂变为基本原理的原子弹爆炸后,此次高调宣布核聚变成就,是否意味着在朝鲜将炸响以核聚变为基本原理的超级核弹——氢弹?核裂变、核聚变,这一字之差,区别何在?
  
  核裂变
  
  核裂变又称核分裂,是一个原子核分裂成几个原子核的过程。在自然界中,只有些质量非常大的原子核,像铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核,同时放出二个到三个中子和很大的能量,又能使别的原子核接着发生核裂变并使过程持续进行下去。
  原子核在发生核裂变时,释放出巨大的能量,称为原子核能,俗称原子能。1千克铀-235的核裂变产生的能量,相当于2700吨标准煤完全燃烧释放的能量。
  核裂变是1938年发现的,但核裂变的研究成果第一个用途是被用于制造威力巨大的原子武器——原子弹。目前,随着核科技水平的发展,核裂变除了用于制造原子弹外,利用其它手段控制核裂变产生的巨大能量为人类社会提供清洁能源的技术与工程发展也十分迅速。从这个意义上讲,对核裂变的利用有两种方式,即失控使用和受控使用。
  对于原子弹而言,核反应是失控而导致的爆炸。而核电站的核裂变始终在人们的控制下进行,用于发电的核反应堆通过受控的缓慢方式进行能量释放,人们利用插入铀堆等能够吸收部分中子的物质来控制反应进程。
  
  核聚变
  
  核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在超高温和高压等一定条件下,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。
  核聚变也被称为太阳之火,因为太阳这颗恒星的运行模式就是核聚变。宇宙中最高效的核聚变是氢聚变成氦,也就是4个氢原子聚变成一个氦原子,这个过程有千分之七的物质转换成能量虽然只有千分之七,但能量已经十分可观。如果把1000克氢原子中千分之七的物质转换成能量,就相当于4000吨石油和6000吨煤太阳就是一个奢侈的使用核聚变能量的天体在太阳这个巨大的核聚变工厂中,每秒钟太阳使用5亿吨的氢原子参与聚变,其中400万吨的物质转化为能量,太阳自存在以来,核聚变只损失了万分之一的物质。
  人类使用宇宙的基本能源制造的氢弹没有在实战中使用,最强悍的氢弹试验当属20世纪60年代苏联的“炸裂地球”试验虽与太阳相比,几乎可以忽略不计,但已经让世界无语。
  1961年苏联准备试验10000万吨TNT的氢弹爆炸,计算表明威力的半径为1000千米,由于离试验地点新地岛750千米就有城市和人口稠密居住区,军方直接请示赫鲁晓夫后决定把装药量减少一半,为5000万吨当量。爆炸试验在新地岛试验场进行,试验场占据了整个新地岛,覆盖面积为8.26万平方千米。1961年10月30日,人类历史上当量最大的氢弹,重26吨的“大伊万”氢弹被装进了一架图-95战略轰炸机。图一95从距离试验场1000千米以外的摩尔曼斯克奥列尼机场起飞,上午11时32分,“大伊万”在试验场上空炸响。图一95以最快的速度离开了投弹地点,并在爆炸前飞出了250千米,可是爆炸产生的剧烈的冲击波还是把巨大的轰炸机抛上抛下,如同在惊涛骇浪中一般。爆炸形成了一个新地岛居民乃至世界上所有生命谁也未曾见过的恐怖万分的蘑菇火云,迅速膨胀并盘旋上升。热核反应所产生的电磁扰动三次传遍全球,通红的蘑菇云高达70千米。世界上至今为止最剧烈的一次核爆炸产生后,4000千米以内的所有的飞机、导弹、雷达、通信等设备全部都受到不同程度的影响。苏军整个通信失去联系的时间长达一个多小时爆炸也使美军受到重大影响,在最靠近苏联国土的阿拉斯加和格陵兰岛,美军驻阿拉斯加和格陵兰岛上的北美防空司令部的电子系统大都受损,雷达无法操作,通信中断。氢这个温和元素的聚变给全球带来的是巨大恐怖,你可以小看氢,但谁也不能小看氢聚变。
  
  一字之差的巨大区别
  
  核裂变与核聚变一字之差,但差别巨大。
  从反应元素上看,宇宙最稳定的元素是铁,因为它的强核力最大,因而原子序数大于铁的可以发生核裂变,原子序数小于铁的可以发生核聚变。
  从应用前景上看,核聚变燃料供应充足,地球上重氢有10万亿吨,每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。对于核裂变,由于原料铀的储量有限,政治因素敏感,放射性与危险性大,核裂变的优势无法完全利用。截至2006年,核裂变能发电占世界总电力约15%,说明了核裂变应用的规模之大,而核聚变能源前景更加光明,科学家们估计,到2025年以后,核聚变发电厂才有可能投入商业运营2050年前后,受控核聚变发电将造福人类。
  此外,与核裂变相比,核聚变反应产生的放射性废物较少,人们希望有朝一日可以通过这种技术生产取之不尽的清洁能源有专家预计,可控核聚变基本上能够“永远”地解决人类社会的能源需求。
  从研究现状上看,核聚变是目前欧盟、俄罗斯、中国、印度、日本、韩国等具有世界顶级技术的国家共同推动的项目,仅仅建设试验设施就耗资51亿欧元,而且对今后40年内试验能否获得成功也尚无把握。
  从控制难度上看,两者有天壤之别。目前,核裂变已经能够被人类文明所控制,而核聚变目前还只能破坏性的使用,即氢弹,控制核聚变之所以难度极高,是因为核聚变释放的能量比核裂变更大,因此反应要求极高,技术要求极高。产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,而地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行,地球上没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束目前,仅有的成果就是能够利用托卡马克装置实现2000万~5000万℃以上的人造太阳,也仅仅能维持数十秒钟。托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器,是由苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中 央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度。
  相对于可控核裂变,可控核聚变在世界范围内仍然是一项尖端技术,如何控制核聚变还有很长的路要走。
  
  朝鲜的自豪与外界的嘲笑
  
  朝鲜方面所称完全依靠自己的技术取得了“值得自豪的成果”,按照自己的方式成功地进行了核聚变反应后即遭到质疑。英国《每日电讯报》讽刺说,如果朝鲜的说法是可信的话,那么这个贫穷的国度将是世界上第一个掌握核聚变技术的国家。韩国浦项工科大学一名核聚变研究专家表示,核聚变反应并非是可以简单做到的技术,而是非常困难。他认为朝鲜可能只是完成实现核聚变的初步工作。首尔国立大学一名核专家称:“如果明天天空出现两个太阳,人们才能相信他们的说法。”他认为朝鲜可能只进行了一些小规模试验。韩国教育部一名负责核聚变问题的官员说,朝鲜似乎只进行了一个基础性试验,并表示核聚变与制造核弹无关。朝鲜分别在2006年和2009年进行的核武器试验只是不成功的核裂变过程。外界这种猜测的主要依据有三点。
  一是技术难度超出了朝鲜的能力。朝鲜虽然进行了有限的核开发,但由于起步较晚,进行核裂变的技术可能性较大,但进行核聚变的可能较小,在西方的技术封锁和全球核不扩散条约限制下,取得核裂变对于朝鲜已经是不小进步,要想在短时间内完成核聚变,难度过大。从核裂变到核聚变,大国也不是一帆风顺。从原子弹到氢弹,美国用了7年零3个月,英国用了4年零7个月,苏联是6年零3个月,法国是8年零6个月,中国用了2年零8个月,以朝鲜的技术基础,恐怕还需要更长的时间。
  二是资源需求超出了朝鲜的能力,朝鲜由于受到西方的长期制裁,国力贫弱,是世界上最贫穷的国家之一,解决吃饭、用电问题都难度极高,一度盛传平壤街头的标语是“把粮食送到学校去”,姑且不去讨论此言真假,至少表明了朝鲜经济的困境。根据国际社会观察,朝鲜没有能力生产出足够的电力照亮夜晚,此次却声称已经开发出了新的能源,并将其比喻为“人造太阳”,来纪念朝鲜前领导人金日成(因金日成的生日被称为“太阳日”)。从这一点观察,朝鲜的热情是足够高了,但如果投资力度小于核聚变工程所需要的基本需求,再高的热情也无济于事。
  三是技术储备超出了朝鲜的能力。核聚变的点火条件十分苛刻,而氢弹中促使聚变发生的往往是核裂变。据美国方面的监测,尽管朝鲜宣称核裂变完全成功,但数据表明仅是一半的成功,与完全成功尚有距离,因此作为聚变的基础,裂变能力不够充分,也是阻碍核聚变成功的巨大障碍。
  1720年的牛顿在炒股赔钱后感慨:“我可以计算天体的轨道,而无法计算人性的疯狂。”如果把这句话扩展一下,我们也许可以认为,宇宙中所有的智能文明都面临这样的考验:当今人类文明的道德水平是否达到了可以安全地使用宇宙中最强大能源的程度?无论美国、俄罗斯、英国、法国,还是朝鲜。因为从广岛到切尔诺贝利,人类所释放出的核灾难远胜于一切,而人类出现前,这种能源的责任仅是在1.5亿千米之外为地球制造生命。
  
  [编辑/严晓峰]
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