核裂变、原子弹、核电站

1938 年 Hahn O 和 Strassman F 研究中子轰击 U－235 的产物时，想发现新元素的愿望虽未实现，但却发现了另一类核反应－

－裂变。²³⁵U原子核受高能中子轰击时，分裂为质量相差不多的两种核

素，同时又产生几个中子，还释放大量的能量。裂变产物的组成很复杂，它们的原子序数在 30（锌 Zn）至 65（铽 Tb）范围内分布。现在已知的有 36 种元素的 200 多种核素，如 U－235 裂变时可产生钡（Ba）和氪（Kr）或氙（Xe）

① 核素是指质子数和中子数都相同的一类原子。凡质子数相同而中子

核 素，而互为同位素。这两种核素在周期表中位于同一个位置（第 7 周期，ⅢB 族，第 92 号位置）。

和锶（Sr）或锑（Sb）和铌（Nb）等。

U－235 裂变过程中，每消耗 1 个中子，能产生几个中子，它又能使其他U－235 发生裂变，同时再产生几个中子，再有 U－235 裂变，这就形成了链式反应，如图 2－7 所示。

图 2－7 中子诱发 U－235 裂变形成链式反应

连续核裂变释放出巨大的核能，若人工控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电机，这是建设核电站的基本原理； 若让裂变释放的能量不断积聚，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这是制造原子弹的原理。

随着二次世界大战的爆发，核裂变的研究被吸引到制造原子弹的工作中去了，自 1939 年起，美国政府拨出巨款，设立机构，动员各方面力量投入庞

大的原子能研究。经过 6 年多的研究，1945 年 7 月 16 日在美国新墨西哥州

的沙漠中第一颗原子弹试爆成功，同年 8 月 6 日和 8 月 9 日先后在日本广岛和长畸投下原子弹，在人类历史上写下了令人难忘的一页，受害的日本人民的痛苦至今犹在。原子弹的结构原理如图 2－8 所示。

原子弹里的炸药就是²³⁵U（或²³⁹Pu）。在天然铀矿中，U－235

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只占 0.7％，其余是 U－238，它不能发生连续裂变。因此这两种核素的分离是首要问题。科学家们是利用六氟化铀（UF6）气体扩散速度不同进行提纯， 使 U－235 富集到 93％，这是一项非常艰巨的分离工作。其次为了使原子弹在需要的时候才爆炸，一颗原子弹中有两块 U－235，每块质量都不太大，连续裂变时所释放的能量不足以引起爆炸，但当两块铀合在一起时，便能在瞬

间发生强烈爆炸②。所以在原子弹之中还用一个普通的小炸弹作为引爆装置， 它的爆炸使两块铀挤压在一起发生爆炸。在铀块外面还有中子反射体，作为减少中子外逸的保护层。一个原子弹的爆炸威力相当于 10 万吨普通炸药（三硝基甲苯，简称 TNT）。

原子能的研究成果，不幸首先用于战争，危害人民。但二次大战结束后， 科技人员很快致力于原子能的和平利用，使它造福于人民。1954 年前苏联建成世界上第一座核电站，功率为 5000kW。至今世界上已有 30 多个国家 400 多座核电站在运行之中，世界能源结构中核能①的比例逐渐增加。核电站的工作原理如图 2－9 所示。

核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子的材料制成的，如硼（B）、镉（Cd）、铪（Hf）等是合适的材料。利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度，U－235 裂变时所释放的能量可将循环水加热至 300℃，高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。

国际上曾发生过两次重大的核电事故。1979 年 3 月 28 日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵，使堆心部分过热，致使部分放射性物质逸入大气。但事故得到及时处理，没有引起爆炸，对人伤害不很严重，只是核电站受到一定程度的破坏。1986 年 4 月 26 日在前苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛烈爆炸，反应堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜伤亡惨重。放射性伤害，轻者有白血球减少、恶心、呕吐、脱发等症状，重者则有出血、溃疡、遗传失常、癌症等。所以核技术单位都有严格的防护措施以保工作人员的安全。在核电站建设中必须坚定不移地执行安全第一的方针，站址要设在地质结构稳定的岩石层，能承受地震、洪水、飓风等各种自然灾害的侵袭，反应堆的外壳要充分考虑各种可能产生的高压高温情况，操作人员必须经过严格培训和考核才能上岗。国际原子能委员会还组织专家对各核电站进行评审，

② 放射性核素寿命的长短，常用半衰期（t1/2）表示，即衰减一半所需 的半衰期是 30 分钟。

① 能维持链式反应铀块的最小体积叫临界体积，其质量叫临界质量，即铀块小于临界质量时爆炸不能发生。临界质量与铀块的形状和纯度等多种因素有关。现在已知在有中子反射层的情况下，U-235 的临界质量约为 10kg。原子弹中那两块铀都小于临界质量，当合在一起时则大于临界质量。

确保安全。总之，核能的开发，安全必须先行。我国自 1982 起决定要稳妥而

积极发展核电，第一座自行设计的 30 万千瓦核电站，建在浙江省海盐县秦山脚下，地质构造良好，靠山临海。1995 年 7 月正式通过国家验收。第二期工程两台 60 万千瓦机组将动工，第三期工程亦在计划中。秦山核电站的建成，

使华东地区的缺电情况有所缓解。此外在广东大亚湾引进两台 90 万千瓦的核

电站正在建设之中，辽宁建新核电站也已开始筹建。预计到 2000 年我国将有

200 多万千瓦的核电能力。

核电站废料的处理也是非常棘手的事情。U－235 裂变产生的碎核都具有放射性。反应堆工作一定时间后，必需更换新燃料，卸下的放射性废料就存在着如何处理、运输、掩埋的问题。早期曾将废料直接埋入地下，但即使掩埋较深，久而久之地下水总会使这些放射性物质扩散。后来又将废料装在金属桶里，外面加一层混凝土或沥青，弃于海底，在大西洋北部和太平洋北部都有这些废料的“墓地”。经多次国际会议商讨，现在认为对用过的核燃料中还有未燃尽的铀，应尽量回收，这样既可提高资源的利用率又减少废料的放射性。废料中还有些有使用价值的放射性物质和非放射性物质，也应提取分离，这些过程统称为“后处理”。其他放射性废料应装入特制容器，它具有防震、防腐、防泄漏等特性。然后将容器深埋在荒无人烟的岩石层里，使它长期与生物界隔离，其放射性禁锢于容器内而不扩散核污染。随着核电的发展，核废料的处理是必须认真对待的重要问题。在反应堆的运行过程中和核燃料的后处理过程中有许多化学问题值得深入研究。