核武器物理的基础知识：核聚变的优势

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    从核裂变的途径获得核能，相对来说比较容易些，而且已经取得了很大的成功。但是，以核裂变作为能源，也有许多难以克服的问题。一方面铀、钍的储量有一定的限度；另一方面，裂变所产生的放射性碎片愈来愈多，这些放射性废物日积月累，如何处理它们也是一个很麻烦的问题。因此，利用核能的另一个途径?核聚变，就是一个大家非常关心的问题。核聚变在上述两大问题方面，有绝对的有利条件和优势。

    还在裂变发现之前，物理学家就已经知道轻核相互作用发生核反应时会放出很大的能量，而且这种反应的结果是产生比原来的核更重的核。因此，就把这类反应统称为聚变反应，放出的能量就称聚变能。

    科学家从聚变研究中知道，太阳和另外的某些星球之所以能够在漫长的岁月中继续不断地向外散发能量，就是因为在它的内部进行着上述的聚变反应。前面已经介绍过，太阳的光和热主要来自氢核聚变形成氦原子核时所释放的能量。太阳到了老年阶段，氦原子核也要再聚变形成更重的原子核，最后再收缩耗尽它的全部能量而了却一生。在比我们的太阳更老的星体中，氦原子核可能已经聚合形成了较重元素的原子核。根据普遍承认的星体演化理论，元素周期表上的元素，直到铀元素以及所有的超铀元素，都是在星体寿命晚期阶段的原子核生成反应中产生出来的。在新星爆炸中，这些新产生的原子核喷射入宇宙中，当它们冷却时，将其保护性的电子壳层在其周围集合起来，从而变成易于对待的中性原子。那些构成地球上有生命物质精细秩序的原子，可能起源于遥远的和现在早已死亡的星球中央的原子核混沌。由此可见，聚变反应是多么的神圣，它不但是宇宙光明的使者，而且是宇宙万物的造化者。

    在地球上已经造出了热核武器。热核武器中进行的也正是聚变反应，它在很短时间内释放出大量能量，从而具有很大的破坏力。但是热核武器释放的能量是不能控制的，不能广泛地应用于经济建设。因此，科学家目前正在寻找方法，使聚变的能量能够在受人控制的条件下释放出来并加以利用。像费米建造第一个核裂变反应堆那样，谁能在世界上首先建造起第一个核聚变反应堆，那时人们给他树立的纪念碑，就会比芝加哥大学为第一个核裂变堆试验成功树立的纪念碑更加精美而堂皇。

    从研究裂变反应中，我们知道实验室进行的少数次裂变反应所放出的能量是很少的，可能还没有为实验而消耗的能量多。直到链式裂变反应成功以后，裂变能才有了实际利用价值。聚变能也是一样，也只有实现了自持式聚变反应时，才谈得上利用。

    太阳中的聚变反应是一种热核反应，即由高温引起的原子核反应。热核反应，相当准确地说，就是原子核燃烧。它们类似于普通的化学燃烧。在化学的燃烧中，高温引起反应，而由反应释放的能量又维持着高温并传播火焰。化学反应可以通过几个步骤来进行，其净效果是原子结合成更紧密束缚的分子。原子核燃烧也一样可以由这些特点来表征。由高温引起和蔓延的反应或一系列反应产生了更加紧密束缚的原子核。除了反应粒子的性质之外，差别只是规模的问题。

    从燃烧的角度我们可以理解，聚变反应没有临界质量和临界体积的问题，燃料再多也没问题，它自己燃不起来。但是很明显，燃烧有一个“燃点”的问题，也就是燃烧的临界温度问题，这是聚变反应的关键。热核反应的温度至少要几千万度甚至上亿度，它的火焰要比化学反应至少热一万倍和强百万倍。

    我们来看看核聚变反应为什么要如此高的温度！从原子核的小尺寸以及他们之间的电性斥力，可以相当简单地来理解热核反应所需的温度。为了使一对氘核，或一个氘核和一个氚核“接触”，也就是足够紧密地紧靠在一起，其中心距离必须不大于10^-14米，在这个间距下，两个原子核之间的电位能可容易地计算出来：

    式中k是电场力常数，e是氘核的电量，r是两个氘核之间的距离。

    虽然这个能量比加速器中可利用的能量小，但与普通热能相比却大得多了。在能够使所有物质蒸发的一万度的温度下，每个粒子热运动的平均动能也只有1.3eV。上面计算出氘－氘碰撞要克服的电位垒144keV比物质蒸发时的粒子动能要大十万倍。

    我们知道，当物质的温度升高时，它的粒子的动能也随着升高。热力学证明，处于热运动中的粒子的平均动能等于(3/2)kT，其中k是波耳兹曼常数（1.38×10^-23焦耳/度）。当物质温度渐渐升高时，原子外部的一个电子就会由于电离作用而成为自由电子，留下来的就是一次电离的离子。如果原子外层还有电子，那么随着温度再升高，又可以使第二个、第三个……电子变成自由电子，留下来的就是二次、三次等高次电离的离子。温度越高，电离次数也越高，原子最终可以达到完全电离，这时离子就是核本身。这种电离了的物质我们称之为等离子体。

    热核反应就是在高温等离子体中进行的。处于高温状态的核的动能也不都是一样的，在一定的温度T下，具有不同动能的核的数目占全部核的比例服从麦克斯韦分布。大部分核的动能是在kT左右。动能比kT大很多的核不多，小很多的核也不多，但核的平均动能仍然是等于(3/2)kT。由于大部分核的动能在kT左右，所以把kT的能量单位用电子伏（eV)来表示。一电子伏温度相当于1.16×10⁴ K（绝对温度）。一亿度是8.6千电子伏(keV)，这时候核的平均动能是13 keV。

    为使平均每一对氘核在一次正碰撞中，可以相互接近到10^-14米以内，需要的温度会是多少？如图2.18所示。我们假定在高温下每个氘核具有(3/2)kT 的动能，恰好等于克服它们之间总电位能值的一半（72keV）。因为是对碰，对方的动能与之相等，也占一半。则

    从而算出T＝5.6×10⁸ K。也就是比5亿度还要高。若用能量作单位，则kT＝48 keV。

图2.18    氘核对撞示意图

    实际点燃氘核的温度并不必须是这样大的值，这有两个原因：第一，某些原子核的动能比平均值大很多，他们可以比较容易地克服电性斥力；第二，有显著的势垒穿透效应存在，即那些动能较低的原子核也有一定的几率穿透核力势垒。实际上热核爆炸大约在6×10⁷ K（kT＝5 keV）的温度下进行。这个温度可以点燃聚变炸弹，但是不能用于能量的受控释放。受控热核反应设想的温度要高些，大约是2×10⁸K。

    根据现有知识，人类最有希望利用的聚变反应道列于表2.1。其中9、10两种是中子与轻核的反应，虽然不属聚变反应，但是裂变反应和许多聚变反应都有中子放出，是可以利用的核反应道。

    我们将这些反应与铀核的裂变反应比较后就会发现，同样质量的核燃料，聚变反应会比裂变反应放出更多的能量。例如，同样重量的氘，在全部实现反应时释放出来的能量约比铀大三倍。如果是氘和氚聚变，一公斤氘氚完全燃烧放出的能量，相当于8万吨TNT爆炸的能量，它比一公斤铀-235完全裂变放出的能量约大四倍。

    上表列出的聚变反应道中，⑴、⑵和⑶是人们最感兴趣的。这是因为⑴、⑵反应中所用的氘，在自然界中含量是非常丰富的。自然界的水中含有氢，氢里含有1/6000的氘。根据地球上的海水量以及⑴至⑷所给的数值，若海水中的氘都能起聚变反应，那么它所产生的能量就足以供人类使用两百亿年！

    但是氘不能直接作为聚变炸弹的燃料，因为作为武器用的核燃料，必须是高密度的。为了高密度储存氘，必须把它冷却到液化温度20K（-253⁰C）以下。这要求精密的致冷技术。聚变弹中实际用的燃料是氘化锂⁶（⁶Li²D)，它在常温常压下是固体，其理由将在第四章中讨论。

    对反应⑶特别感兴趣是因为它发生的可能性最大，也就是说氘氚反应比较容易实现。图2.19是氘氚聚变反应示意图。

图2.19    氘氚聚变反应示意图

    其核反应式如下：

²D + ³T      ⁴He + ¹n + 17.6兆电子伏

    氘氚（DT）反应在6×10⁷K的温度下可以迅速地进行。每个核子大约释放出3.5兆电子伏的结合能。总结合能17.6兆电子伏的大部分以中子的动能（14兆电子伏）形式出现。但可惜自然界中不存在氚，氚必须在原子反应堆中制造，氚的价格目前还是很贵的。

    根据聚变反应的规律，等离子体中每单位体积中每秒钟内核反应的数目为：

g＝n₁n₂〈sn 〉

    n₁，n₂是参与反应的核的密度（每立方厘米多少个核），〈sn 〉称为反应率，它代表热核反应概率的大小，它与温度有很大的关系。根据实验数据经过计算后得到的氘-氘和氘-氚反应率如图2.20所示。从图中可以看出：第一，反应率随温度的变化是很快的；其次，氘-氚反应的反应率比氘-氘反应的大1～2个数量级。因此氘-氚反应应该是比较容易实现的。

图2.20    氘-氚和氘-氘反应率与温度的关系

    由反应率曲线还可以看到，在几百万度下也有聚变反应产生，为什么前面说要几千万度才能点火呢？这是因为在温度不太高时，热核反应率很低的缘故。任何高温物体都会向外辐射能量，要维持一定高的温度，就必须在物体内部产生或从物体外部传给物体以足够的能量，否则，物体将逐渐冷却。在高温等离子体情况下，这种辐射主要是由电子与离子碰撞产生的（称为轫致辐射，就是X射线）。当温度较低时，单位时间热核反应放出的能量少，还不如辐射损失的多，从能量增益的角度看是负增益，叫做“得不偿失”。当温度达到某一临界温度，单位时间热核反应放出的能量，等于辐射损失的能量，虽然能量增益等于零，但已经作到“得失相当”，热核反应勉强可以持续进行。只有温度超过某一临界温度时，单位时间热核反应放出的能量，才会大于辐射损失的能量，才有可能使等离子体依靠自身所释放出的能量继续维持高温进行热核反应。这时能量增益为正，单位时间得到的比损失的多，就可以向外输出能量了。目前世界上的能源科学家和工程师们，正在为实现热核反应器的能量增益为正这个目标而努力。

    热核反应器作为动力源，除了单位质量释放的能量比裂变反应的多，而且具有燃料来源无穷、各地都有、价格便宜等优点外，它还有两个突出的优点：一是没有放射性废物处理问题（因为聚合后的原子核质量数也不算大，没有多余的质子—中子转变，不会发生衰变，也没有伴生的放射性）；二是有可能直接发电，而不必应用价值昂贵且效率较低的热机。所以聚变反应能的发展前途比裂变反应能的发展前途，有相当大的优势。

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   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间：2002年7月