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阿波罗在人间
庄老周 冷兵器时代的战争,往往因抢夺粮食而起,今天的战争,则被人打上了能源的烙印。地球上的煤炭、石油等常规能源,与日俱减,而全球经济的快速成长,对能源的需求又与日俱增。这就是矛盾。尽管现代社会越来越理性,不会将所有形成的,但只够人类使用三四百年,而且它们是不可再生的。另外,煤炭、石油等是人类重要的自然资源,作为燃料烧掉是非常可惜的。人们无不担心,煤和石油烧完了,而其他能源又接替不上该怎么办?
在元素周期表中,虽然元素是由质子和中子成对增加依次构成的,但是原子的重量却不是按质子和中子的增加而等量增加的。在较轻的原子中,质子和中子的重量偏重,如果两个轻的原子合成一个重原子,两个轻原子的原子量之和往往重于合成的重原子。同样,在较重的原子中,质子和中子的重量也偏重,一个重原子分裂为两个轻原子,重原子的原子量一般重于两个轻原子之和。只是在铁元素附近的原子中,质子和中子的重量偏轻。由此可见,在原子核反应中,质量是不守恒的,即出现了所谓的质量亏损。这些质量到哪里去了呢?按照爱因斯坦的质能关系公式E=mc2,亏损的质量转换为能量,由于c2是个巨大的系数,很小的质量就可释放出巨大的能量。科学家正是基于这一点,利用重金属的核裂变制造出了原子弹,利用轻元素的核聚变制造出了氢弹。
原子弹和氢弹的巨大威力令人惧怕,同时也让人们兴奋,因为原子中蕴藏的能量太大了,能否利用这种能源是人们自然想到的问题。原子弹和氢弹中的巨大能量是在瞬间释放出来的,而要作为常规能源使用,就必须实现可控制的核裂变和核聚变。对于核裂变来说,控制起来相对比较容易,裂变核电站早已经实现商业运行,并在欧洲成为主力电能。但用来产生核裂变的铂235等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。
对我们而言,最具诱惑力的自然是核聚变,它的单位质量产生的能量比核裂变还要大几倍。实际上,宇宙中最常见的就是氢元素的聚变反应,所有的恒星几乎都在燃烧着氢,因为氢是宇宙中最丰富的元素。氢的聚变反应在太阳上(还有少量其它核聚变)已经持续了近50亿年,至少还可以再燃烧50亿年。氢在地球上也是非常丰富的,每个水分子中都有2个氢原子,但最容易实现的聚变反应是氢的同位素――氘与氚的聚变(氢弹就是这种形式的聚变)。氘和氚发生聚变后,2个原子核结合成1个氦原子核,并放出1个中子和l 。就氘来说,它是海水中重水(水分子为H2O,重水为D2O,只占海水中的一小部分)的组成元素,海水中大约每6 500个氢原子中有1个氘原子。每升水约含30毫克氚(产生的聚变能量相当于300升汽油),其储量就多达40万亿吨。一座1 000兆瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304公斤,海水中的氘足够人类使用上百亿年,这就比太阳的寿命还要长了,更不要说再使用氢了。
另外,除氚具有放射性危险之外,氘―氚聚变反应不产生长寿命的强放射性核废料,其少量放射性废料也很快失去放射性。氘―氚反应没有任何放射性。可以说氢及其同位素的聚变反应是一种高效清洁的能源,而且真正是用之不竭。既然恒星上都在进行着这样的核聚变,地球上也不缺这种核聚变的原料,只要实现可控的核聚变,就可以造出一个供人们永久使用的“太阳”。实际上,自从人们揭开太阳燃烧的秘密以来,就一直希望模仿