核能的和平利用-来自《通识物理》的成果

自人类世界进入20 世纪以后，随着科技发展的爆发，能源消耗量也日益增加，特别是20 世纪70 年代爆发的“石油危机”，更是凸显出人类对能源需求的紧迫局面。中国也在20世纪末从原油出口国变为了原油进口国，而且是目前唯一一个以原煤作为主要能源的国家。将煤、石油等化石资源当作燃料烧掉，这本身就是巨大的资源浪费，正如著名化学家拉瓦锡说的那样：“要知道，钞票也是可以用来烧掉取暖的。”更何况化石资源消耗所带来的温室效应、厄尔尼诺效应等，都极大地威胁着人类在地球上的生存环境。因此，调整能源结构、寻找和开发新能源就成为人类目前最迫切的任务。

由狭义相对论的质能方程可知：物质蕴含着巨大的静止能，通过核裂变和核聚变可以把其中一小部分（约1%）转化为能源，这部分能量已经十分巨大，约为质量相当的化石资源所释放化学能的一百万倍。更何况，如果利用正反物质湮灭还可使几乎100%的静止能转化为人类可用的能源，因此和平利用核能就成为解决人类能源危机的一个重要方法。

核裂变和核聚变虽然启发人类制造了原子弹和氢弹。但实际上，人类对核能和平利用的步伐从来就没有停止过，核能的和平利用研究几乎与核武器的研究同步开始。1942 年12 月2 日，在著名物理学家费米的领导下，美国首先建造了世界上第一座可控核裂变的原子反应堆。费米设计的这座原子反应堆采用重水使中子减速，并将能吸收中子的镉作为控制棒。通过插入反应堆的深浅来控制链式反应的快慢，从而把核能安全地转化为电能。从1954年苏联建成运行世界上第一座核电站开始，全世界目前已有33个国家建设了近500座核电站，其发电量约占世界发电总量的17%。因此可以说，人类通过核裂变对核能的和平利用已经基本实现。中国自行设计建造的第一座核电站——秦山核电站也于1991 年投入运行。目前中国已经是世界核电设备制造强国，并于2016 年成功实现了对老牌核电强国英国的技术输出，而且中科院还在同一年推出了只有集装箱大小并号称最安全的商用迷你“核电宝”，可以很好地满足海岛海洋平台、偏远地区分布式供电需求。目前，人类对核能的和平应用技术已经非常成熟，但过去也曾发生过一些较为严重的核事故，比如1979年美国三里岛压水堆核电站事故、1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故以及2011 年日本福岛核电站事故。这些核事故的灾难性后果带给人们较大的负面印象，比如目前台湾地区即便较为缺电，民众仍然强烈反对核电站的建设，并提出了“用爱发电”的口号。不过另一方面，这些核事故的发生也促使科学家们更好地改进核能应用和安全技术，以使得核电站更加安全。(www.xing528.com)

目前世界上所有的核电站都是以“可控核裂变”为基本原理的，由于核裂变燃料铀在地球上的储量十分有限，迟早要面临铀矿枯竭的危机，更何况核裂变废料还有放射性。因此，人类十分有必要开发更理想、洁净和资源丰富的新能源——核聚变能。与核裂变能相比，核聚变的产物是稳定的氦，其不具有长期放射性；而且核聚变的主要燃料是氘和氚，其在海水中就有丰富的分布，尤其是由氘构成的重水就占到海水总质量的六千分之一。根据计算，1克氘经核聚变可以放出大约1×106千瓦时的能量；而1升海水中的氘聚变所放出的能量相当于燃烧300升汽油所放出的能量。按照目前世界能源的消耗水平估算，地球上所有海水中的氘燃料可供人类使用数百亿年，而地球的寿命只剩下约50 亿年。遗憾的是，要实现核聚变是十分困难的，目前人类只是制造了“不可控核聚变”的氢弹，而“可控核聚变”技术至今还没有真正实现。近年来，包括中国在内的一些国家正在积极开展相关研究，目前技术上最大的困难在于没有能够承受核聚变超高反应温度的容器；而如果不使用容器，聚变物质会迅速散开，使得反应无法进行。目前看起来较有希望的是“托卡马克”装置，这个装置是一种利用磁约束原理来实现可控核聚变的环形容器，其是由苏联科学家阿齐莫维齐等人在20 世纪50 年代发明的。“托卡马克”装置的原理是利用强大电流所产生的强大磁场，把激光照射氘、氚所形成的等离子体约束在很小范围内，其不仅可以约束反应物位置，还能促使等离子体升到更高的温度。“托卡马克”装置是世界上公认解决可控核聚变难题的最有效途径，目前全世界仅有俄罗斯、日本、法国和中国拥有“托卡马克”装置。虽然充满了美好的应用前景，但目前的“托卡马克”装置还存在一个致命缺点：磁场容器就像多孔的筛子，反应物质很容易泄漏出去，同时用氘、氚作为热核反应燃料很容易产生大量对设备造成伤害的中子流。如果我们采用氦Ⅲ做原料，倒是可以避免中子的产生，但困难则是地球上的氦Ⅲ含量较低。不过，月球上的氦Ⅲ含量却十分丰富，有人做过估算，每年只需要从月球上运回一飞船含有氦Ⅲ的矿物就能满足地球一年的能源需求。因此，人类的探月飞行项目不仅具有重要的科学和国防意义，还具有巨大的潜在经济价值。

目前，中国在可控核聚变方面的研究处于国际领先地位。尤其是2016年12 月，中国科学家在合肥的先进超导“托卡马克”实验装置中（EAST），制造出比太阳中心温度还要高的氢等离子体，并且创纪录地稳定燃烧了1 分多钟。虽然这个实验结果还达不到商业应用的时长要求，但这仍然增强了人类利用核聚变能的信心，并且显示中国核聚变研究的发展进度把其他国家远远甩在后面。目前，中国已经开始尝试建设世界上第一座核聚变电站——中国聚变工程实验堆（CFETR），并计划于2030 年投入运转，在10 年内把发电量提高到1000 兆瓦，这将超过大亚湾现有所有核电站的发电总量。然而，核聚变虽然有诱人的前景，但考虑到其巨大的资金消耗和技术需要，世界上任何单一国家都难以胜任，所以开展商业核聚变的国际合作研究就成为主流。2005 年6月28 日，中国、日本、韩国、美国、俄罗斯和欧盟在莫斯科确定，在法国的卡达拉舍共同出资建造国际热核聚变实验反应堆（ITER），它是目前世界上最大的国际合作项目，总投资100亿欧元，其中欧盟预算50%，其他五国各承担10%，项目预计2016 年投入运行，输出功率达50 万千瓦；建成后，该核聚变反应堆将是世界上第一个具有商业核聚变发电应用前景的装置。