世界首座裂变反应堆：追寻物理本质

世界首座裂变反应堆

原子时代的真正开端

裂变反应堆，是一种实现可控核裂变链式反应的装置。在核能事业中，它是最重要的装置之一，通常简称为反应堆或堆。1942年恩利克·费米领导的科学小组建成世界上第一座人工的裂变反应堆，首次实现了可控核裂变链式反应。开始阶段反应堆主要服务于军事目的，20世纪50年代中期以后世界上大量建造用于各种研究工作的反应堆，并开始建立用于发电的核电站。

费米

1939年初，据李泽·梅特纳、奥特·哈尔姆和弗里茨·斯特拉斯曼报道，中子被吸收后有时会引起铀原子裂变。这项报道发表后，和其他几位主要的物理学家一样，费米立即认识到一个裂变的铀原子可以释放出足够的中子来引起一项链式反应，而且还和另外几位物理学家一样，费米马上就预见到这样的链式反应可用于军事目的潜在性。1939年3月，费米与美国海军界接触，希望引起他们对发展原子武器的兴趣。但是直到几个月后爱因斯坦就此课题给罗斯福总统写了一封信以后，美国政府才对原子能给予重视。那时候，同盟国的科学家虽然已经在讨论原子弹的可能，但是还没有正式开始进行制造的工作。后来由于同盟国在战事中一再失利，德国又开始禁止由他们占领捷克铀矿区的铀矿出口，使得同盟国意识到，德国可能已经在认真进行原子弹计划。不久，一位德国科学家傅吉出人意料地在德文科学期刊上，公开发表了一些德国核分裂研究的新近成果。这位科学家本来是故意突破当时德国尚未完全开始的信息封锁，让同盟国得知德国研究近况，但是同盟国科学家反倒因而误认为，如果德国能够发布这么多资料，那么他们真正的发展情况，恐怕还要更加先进，这就更加促使美国原子弹计划开始酝酿产生。匈裔科学家齐拉于是决定采取一些行动。首先他认为要能控制比属刚果的铀矿，于是请求和比利时皇家熟识的爱因斯坦帮忙，爱因斯坦欣然同意。接着他和银行家沙克斯共同具名拟就一信，准备敦促罗斯福总统在美国进行原子弹计划，为了增加这封信的分量，他们也要求爱因斯坦共同具名，爱因斯坦同意了。这一封有爱因斯坦共同具名的信函，确实是促成原子弹计划的一个关键因素，而这件事到战后曾使爱因斯坦相当的后悔。建立一个模式原子反应堆就成了科学家的首要任务，以探明自保持的链式反应是否确实可行。由于费米是世界上主要的中子权威，且集理论与实验天才于一身，所以被选为世界第一台核反应堆攻关小组组长。他最初在哥伦比亚大学工作，随后又到芝加哥大学工作。1941年底，费米在哥伦比亚大学主持建造了世界上第一座原子反应堆，实现了自持式链式反应，为制造原子弹迈出了决定性的一步。1942年12月2日，在芝加哥，由费米指导设计和制造出来的核反应堆首次运转成功。这是原子时代的真正开端，因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。试验成功的消息以意味深长的预言形式一下子就传到了东方：意大利航海家进入了新世界……随着这项实验的成功，政府即刻做出了全速开展曼哈顿工程计划的决定。费米在这项工程中作为一位主要的科学顾问，继续发挥着重要的作用。费米的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分显然，这项发明的主要功劳应归于费米。他最先对有关方面的基础理论做出了重大的贡献，随后又亲自指挥第一座核反应堆的设计和建造。

国际热核聚变实验反应堆外观模型

反应堆主要由以下几部分组成：（1）核燃料。又称裂变材料。一般是浓缩铀，即提高了U²³⁵成分的铀，也可以用天然铀，制成棒状，排列在堆芯，体积超过临界体积；（2）减速剂。由于热中子对U²³⁵的裂变截面较大，而裂变放出快中子，需要用减速剂将中子慢化，常用的减速剂是石墨或重水，快中子与它们做弹性碰撞，可很快减速成热中子；（3）控制棒。插入堆芯能大量吸收中子，可使反应减慢或停止；反之，提出堆芯，反应则可加速进行。常用的控制棒是镉棒或硼钢棒，镉或硼对慢中子有很大的俘获截面；（4）冷却剂。循环流过堆芯，从堆芯取出反应所产生的大量热能，再通过二级热交换器将热能传送到堆外供发电或作其他能源用，常用的冷却剂有加压的水或重水、氦或二氧化碳，或液态金属钠，它们具有较高的导热性能；（5）反射层。一般情况下，堆芯周围设有反射层，把外逸的中子反射回堆芯，以减少中子的损失。反射层外是堆的壳体，壳体外面是防止射线伤害人体的混凝土保护墙；反应堆内还设有其他控制系统，以保证安全和调整功率。反应堆有多种用途，可提供大量的核能，用于动力发电或推动核潜艇等；可获得各种能量的中子流，进行核物理或其他方面的实验研究；可生产多种放射性核素；还可用来生产Pu²³⁹、U²³³等核燃料，将自然界相对含量较多的U²³⁸和Th²³²放在反应堆中用中子照射，生成复合核U²³⁹和Th²³³，然后经过两次β衰变得到很好的裂变材料Pu²³⁹和U²³³，等等。费米之所以成为重要人物，有以下几个原因：一是他是无可争议的20世纪最伟大的科学家，而且是为数不多的兼具杰出的理论家和杰出的试验家天才的人。他在其生涯中写了250多篇科学论文；二是费米在发明原子爆破方面是一个非常重要的人物，尽管别人在推动这项事业的发展上也起了同样重要的作用。(www.xing528.com)

费米实验室

1945年以来，原子武器从未用于

战争。出于和平的目的，大量的核反应堆建成用来产生能源。在未来，反应堆将成为更重要的能源来源。此外，一些反应堆被用来生产有用的放射性同位素，用在医学和科学研究上。反应堆还是钚的一个来源，这是制造原子武器的一种材料。人们对核反应堆可能对人类产生危害存有害怕心理，但没人抱怨它是个无意义的发明。不管是好还是坏，费米的工作对未来世界产生了巨大的影响。

给费米发错的诺贝尔奖

20世纪30年代初，费米在铀的衰变产物中发现了一种原子序数为93的新元素，由此获得了诺贝尔物理学奖。就在这一年德国威廉皇家化学研究所的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家梅特涅合作，试验用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡。原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。哈恩的实验推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！听到这惊人的消息，费米的第一个反应是来到哥伦比亚大学实验室，利用那里较好的设备，重复了哈恩的试验，结果和哈恩的试验一样。这一事实，对费米来说无疑是难堪的。然而和人们的想象相反，费米坦率地检讨和总结了自己的错误判断，表现了一个科学家服从真理的高尚品质。