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第14章 核能利用(3)

面对着这个强大的爆炸,每个人都有一种莫名的恐惧感。奥本海默倚在一根柱子上,他默念着博哈加瓦基达的诗:

漫天奇光异彩

有如圣灵逞威

只有一千个太阳

才能与其争辉

看到巨大的蘑菇云,他又想起另两句:“我是死神,是世界的毁灭者!”

奇怪的是,人们并不从技术上去评论原子弹,而是感觉良心受到了责备。特别是1945年8月份,美国空军将剩余的2颗原子弹投掷到日本国土上。其中名叫“胖子”(内装钚-239)的原子弹投到长崎,名叫“小男孩”(内装铀-235)的原子弹投到广岛,结果造成20余万人的伤亡。对此,爱因斯坦追悔莫及,他说道:“要是当时我知道德国人制造不成原子弹的话,那连手指头也不会动一动的。”一向冷静而理智的费米也只能无可奈何地说道:“不要让我跟你们一块受到良心的折磨吧!无论如何,这毕竟是物理学上的一个杰出成就!”

这种情感在大西洋的另一边也有共鸣,这就是哈恩。当人们正在辩论德国战败的原因,一些人认为由于延误了原子弹的研制才导致战败,而另一些人则认为由于延误的原子弹的研制才得以避免更大的伤亡而庆幸。哈恩认为,他的核裂变的发现导致日本人民的重大牺牲,他有着深深的负罪感。他的心情如此压抑,以致于大家时时都在担心他是否会自杀。

在第二次世界大战后的军备竞赛中,前苏联(1949年)、英国(1952年)、法国(1960年)也相继试制成功原子弹。为了打破美国和苏联的核垄断,中国也于1964年10月16日成功地爆炸了原子弹。

氢弹在现代核武库中,氢弹也占有重要地位。氢弹也被称作热核弹。氢弹是利用轻核聚变反应制成的炸弹,参加反应的物质主要是氢的同位素氘和氚。太阳向外辐射光和热就是氘和氚核聚变反应的结果。聚变反应需要极高温度,所以氢弹要靠原子弹来引爆。同原子弹相比,氢弹的威力要大得多。

经实验测定,1千克氘氚混合物全部发生聚变反应,能释放5.8万吨梯恩梯的爆炸当量。由此可以想见氢弹威力之大了。

由于氘和氚在常温常压下是气体,在实际应用中必须制成液体,这就需要极高的压强。所以直接作为氢弹装料是很困难的。像1952年美国爆炸的第一个热核装置,其质量竟达65吨。这样的装置要用火车运载,用于实战是非常困难的。后来,科学家找到一种新的热核装料,即氘化锂(锂-6)。它的成本比氚要低得多,并且避免了氚的半衰期短的问题(氚的半衰期只有12.6年)。氘化锂的爆炸原理是,原子弹引爆时,大量高能中子与锂-6原子核发生核反应并产生氚,氚与氘发生热核反应,并释放出巨大的能量。

常见的氢弹是一种三相弹,也称作“氢铀弹”。它的爆炸过程大致是:裂变—聚变—裂变。它的核装料中,最外部是铀-238,里面包裹着一个氢弹。它的特点是,借助热核反应产生的大量中子轰击铀-238,使铀-238发生裂变反应。这种氢铀弹的威力非常大,放射性尘埃特别多,所以是一种“肮脏”的氢弹。

为了改善中国的核防卫能力,中国也于1967年成功地爆炸了氢弹,并且成为世界上第4个拥有氢弹的国家。

中子弹20世纪70年代中期,美国总统卡特宣布,美国研制成功中子弹。由于有些人把中子弹吹得神乎其神,这为中子弹蒙上了一层神秘的面纱。

中子弹的结构大致是,中心是钚-239球,外层是氘化锂,再外层是中子反射层,最外层是高能炸药。

由此可见,中子弹也是靠微型原子弹来引爆,引爆氘氚以发生聚变反应。与氢弹的主要区别是,它没有铀-238外层。它的爆炸当量并不高,只有1000吨左右,其杀伤作用80%来自中子,20%靠冲击波和光辐射。

1.钚239;

2.高能炸药;

3.透锐;

4.聚苯乙烯;

5.储氘器;

6.含氘氚的混合物。

中子弹的优点是它的小型化。如果用钚-239引爆,其用量不超过1千克,而氘氚的用量只有几克。中子弹可以作得很小,甚至小到榴弹炮弹那样小。此外,原子弹主要靠冲击波,可将地面建筑物夷为平地,光辐射可将人员烧死,放射性污染持续的时间很长。而中子弹的冲击波并不大,放射性也很小。爆炸后,中子雨是非常致命的。中子可以穿透20~30厘米的坦克装甲,也可穿透50厘米的钢筋混凝土。

以1000吨梯恩梯当量的中子弹为例,离爆心900米的中子辐射剂量,可在5分钟内使坦克内的人员丧失战斗力,半小时后可部分恢复战斗力,但以后的健康会逐渐恶化,并在几天内死去。离爆心700米处,其辐射剂量比离爆心900米处高出1倍,这时坦克内的人员会立即丧失战斗力,并在2天内死去。

在中子弹爆炸之后。由于放射性污染极轻微,所以可以在几小时内,人们几乎可以不借助任何防护而进入爆炸地区。

两弹爆炸振国威

新华社北京16日消息:“1964年10月16日15时(北京时间),中国在本土西部地区爆炸了一颗原子弹,成功地实行了第一次核试验。中国核试验成功,是中国人民加强国防、保卫祖国的重大成就,也是中国人民对于保卫世界和平事业的重大贡献。”

中国第一颗原子弹爆炸后升起的蘑菇云

这是我国原子弹试验成功之后的报道。为了反对帝国主义对中国的封锁,加强军队实力和提高国防的水平,20世纪50年代末,我国决定研制自己的原子弹和氢弹。毛泽东指出:“搞一点原子弹、氢弹,我看十年工夫完全可能”。在前苏联专家撤走之后,国际舆论认为,“中国恐怕20年也搞不成原子弹”,但中国人完全依靠自己的力量,经过科研人员、工人和解放军的努力,1964年10月16日在我国西北试制成功原子弹,从而继美苏英法之后成为世界上第5个掌握原子弹技术的国家。

中国人研制成功原子弹,西方人并不感到惊奇,只是比他们的估计早了几年。他们认为,“从反应堆积累了几年,得到一些钚,没有什么了不起”。言外之意,中国使用裂变材料是钚(美国投在日本长崎的原子弹就是钚弹),但他们的估计错了。中国人在技术上取得了突破,已得到足够的铀-235。

原子弹爆炸的当天,周恩来来到人民大会堂,当时正在排练大型音乐舞蹈史诗东方红,他报告:“同志们,毛主席让我告诉大家一个好消息,我国的第一颗原子弹已经爆炸成功了!”在场的人们听到这个消息,无不欢欣鼓舞,很多人都流下了激动的泪花。当天,我国政府郑重发布宣言,“中国在任何时候、任何情况下,都不会首先使用核武器”。“保证不先使用核武器,不对无核武器国家使用核武器”。

我国的第一颗氢弹爆炸试验成功

1966年10月27日,我国首次进行导弹核武器试验(第4次核试验),当时《人民日报》报道:“导弹飞行正常,核弹头在预定的距离,精确地命中目标,实现核爆炸。”这是世界上第一次导弹核试验,也是唯一的一次。此次试验之前,周恩来总理打电话给实验场的导弹专家,询问把握性有多大,专家们自信地回答:没有问题。要知道,导弹经过的区域还有无法迁移的人员和群众。

在原子弹研制成功之后,我国又加紧研制氢弹。1966年的两次核试验(第3次和第5次)中已经使用了热核材料。终于在1967年6月17日,我国在西北地区成功地爆炸了我国第一颗氢弹,从而继美苏英之后成为世界上第4个掌握氢弹技术的国家。中国原子弹和氢弹的研制成功使西方人不得不承认,“中国闪电般的进步,是神话般的不可思议”。

氢弹爆炸成功的消息再一次使西方震惊,《星期日泰晤士报》评论道:“中国在通向完全核地位的道路上前进的速度,又一次使西方专家们大为惊诧。中国由原子武器到制造热核武器所用的时间,比任何其他国家都短,现在已追上了法国。”法新社也做出报道和评论,他们写道:“中国人民爆炸热核炸弹已取得的惊人成就再次使全世界专家感到吃惊,惊奇的是中国人取得这个成就的惊人速度。”

核电站

由于同样质量的铀和煤相比,铀释放的能量要高出270多万倍,电能又是方便和干净的二次能源,因此人们利用核能首先想到的就是发电。第二次世界大战后建立核电站成为世界各国发展能源技术的重要目标之一。

核电站发电时靠强大的蒸汽来推动汽轮机发电,在这一点上同火电站没有什么区别。但提供热源的装置是不一样的。核电站的锅炉是原子锅炉,这其实就是核反应堆。反应堆中的铀裂变发出强大的能量,能加热锅炉中的水,产生大量的蒸汽。

原子反应堆的外表是一座强大的地下堡垒,反应堆的容器就坐落其中。大部分装置都安置在混凝土的厚墙之中。除了反应堆,为了发电还要有一些发电设备。现在流行的压水堆发电站主要有主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机、危急冷却系统等。

具体地讲,在核反应堆中,要先将铀制成一定形状的燃料元件。通常是作成细棒状或套管状,而后将它们排成有规则的堆芯。堆芯多为圆柱状,并安置在一个坚固的钢制容器中。

在铀-235工作时,它在慢中子轰击下发生裂变,并释放中子。反应堆中的慢化剂可使中子的速度减慢(但不吸收),这些慢中子去碰撞其他铀核,使之发生裂变。所以,这种反应堆称作热中子反应堆。除了热中子反应堆,随着现代核技术的发展,快中子反应堆技术也逐渐发展起来。这种反应堆中不用慢化剂,用快中子打击铀核,并使之产生链式反应。反应堆中还设有控制棒,这是由吸收中子十分强烈的物质(如镉、硼等)构成的。提起控制棒,核反应速度会加快;插入控制棒,由于它吸收一些中子,就使核反应变缓。所以,控制棒起调节反应速度和输出功率的作用。

核裂变产生的热会不断加热冷却剂。冷却剂不断循环地流过核燃料元件外壁。冷却剂是流体的,它可以由气体(如氦气、二氧化碳气等)承担,也可以由液体(如水或液态钠等)承担。由于冷却剂是带有放射性的,它产生的蒸汽是不能直接用于推动汽轮机的叶片的。所以,被加热的冷却剂在热交换器中将热传递给另一个循环系统。在这个循环系统中,利用核反应产生的热再加热水,以产生水蒸汽,进而推动叶片,再带动汽轮机和发电机发电。

核电站的发展

1954年,世界第一座并入电网的实验性核电站在前苏联建成,它的电功率为5兆瓦。接着,英国的核电站考尔德·霍尔工厂也建设成功,其发电功率为92兆瓦。世界上第一座真正工业规模的民用核电站是1958年在美国宾夕法尼亚州的希平波特建成的,电功率为90兆瓦。

经过40余年的发展,核电技术已经成熟,在经济上也具有了很强竞争力,在工业上得到了大规模的推广和应用。核电站已建成几百座。到1996年,全世界建成的发电机组已达435座,核电总装机容量已达370吉瓦。其中美国为第一,总装机数为108座,总装机容量达10.7万兆瓦。其次是法国、日本、俄罗斯、加拿大、英国、乌克兰、瑞典。中国有9个核电机组和近7000兆瓦的装机容量。不但发达国家重视建立核电站,许多发展中国家也相继建立了自己的核电事业。甚至有一些国家在电力事业发展中,以发展核电为主,例如法国、意大利、日本等国就主要以建核电站来满足电力的需求。为什么核电受到如此重视呢?

从经济上讲,核电的成本已低于火电,使用核电是很合算的。对于一座1000兆瓦的(压水堆)核电站,一年需要铀燃料30吨。而一座功率相同的火电站一年则要烧煤350万吨,需要1000列火车运输;每天还要运走烧剩下的上千吨灰渣;核电站占地也只是火电站的1/10~1/8。

当然,核电站的设计、建造和运转是一项综合性很强的系统工程,牵涉到多种学科和工业部门,反映着一个国家科学技术发展的水平。早在20世纪60年代,我国已研制成功原子弹、氢弹和核潜艇,并达到了一定的水平。20世纪80年代,我国又在民用核技术上进行了广泛的开发。特别是关于核电站的建设,我国老一辈核科学家提出自力更生建立核电站的主张。1991年12月15日,我国自行研究、设计和建造的位于浙江海盐城的秦山核电站并网发电,虽然只有300兆瓦,但从核电站的建设来看,我国已形成一个从核电站的设计、科学试验,核燃料开采、冶炼、加工制作,乏燃料处理,各种大型设备的加工制造,到电站的施工、安装、调试等完整的核电工业体系。

1992年,我国在广东大亚湾建成了从法国引进的2座900兆瓦发电机组的核电站。到目前为止,我国已具有建立300~600兆瓦商用核电站的能力。还有后来兴建的秦山核电站第二期工程(2座600兆瓦发电机组),广东岭澳核电站(从法国引进2座1000兆瓦发电机组),江苏连云港核电站(从俄国引进发电机组),秦山核电站第三期工程(从加拿大引进2座700兆瓦发电机组),必将大大提高我国核电利用的比例。此外,我国还向巴基斯坦出口了一座300兆瓦压水堆商用核电站。

在我国的能源结构中,供热消耗占了很大的比例。从1985年的数字可以看出,当年消耗8.14亿吨标准煤中,用于供热的达6亿吨,为发电的3倍多。这使煤炭和石油的供应非常紧张,为此科学家提出用核能供热。20世纪90年代,我国率先自力更生地开发出世界上第一座低温核供热堆。从长远的能源发展来看,低温核供热堆在我国北方供热和南方制冷技术上具有重要的意义。

转换堆型

核反应堆在利用燃料上可以分为两种:转换堆和增殖堆。转换堆是指消耗一个裂变燃料原子只能生产出不到一个新的裂变燃料原子的反应堆。现在流行的热中子反应堆就属于这种类型的堆。

核电站的种类很多,主要的区别是各电站采用了不同的反应堆堆型。

石墨气冷堆这种堆型主要分为3种堆型,即天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。它们用石墨作慢化剂,以二氧化碳或氦气作冷却剂,用蒸发发生器产生蒸汽,进而推动汽轮发电机发电。

石墨气冷堆的优点主要是节省中子,节省燃料,热效率较高,核技术发展的早期,为了取得钚,美国和前苏联采用石墨水冷堆,而英国和法国采用石墨气冷堆。

英国在20世纪40年代建成2座天然铀石墨气冷堆,主要是生产钚;50年代建成8座,将生产钚和发电兼顾。到1970年,差不多生产了8吨军用钚,此后这些堆就以发电为主了。法国的核研究以本国力量为主,独立地发展核技术。20世纪50年代才建成石墨气冷堆,也主要是为了生产钚。

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