江丰

隐姓埋名30年的院士

2015年1月9日上午，北京人民大会堂举行了2014年度国家科学技术奖励大会。国家主席习近平为著名核物理学家、“两弹一星”功勋、中国“氢弹之父”于敏院士颁发了2014年度国家最高科学技术奖。国家最高科学技术奖是我国最高级别的科技奖，此前仅有24位著名科学家获此殊荣。

于敏院士是一个神秘人物，他不仅是核物理学家，也是中国核武器研究和国防技术发展的杰出领军人物之一，曾经“隐身”30年之久，直到1988年他的名字才得以解禁。从原子弹试验成功到第一颗氢弹爆炸成功，中国人只用了2年8个月时间，于敏院士正是创造这个奇迹的杰出代表之一。于敏院士在中国氢弹原理突破中解决了一系列基础问题，提出了从原理到构形的基本完整的设想，为中国核武器进一步发展到国际先进水平作出了重要贡献。从20世纪70年代起，在倡导、推动若干高科技研究项目中，于敏院士也发挥了重要作用。

于敏院士的获奖，让人们的目光再次聚焦到核物理研究领域上。

究竟什么是核能？

说起核能，我们首先想到的是它强大的破坏力。在人类历史上，核武器的唯一一次使用是在二战时期，美国在进攻日本时对长崎与广岛投放了两颗原子弹。两座城市转眼灰飞烟灭。与此同时，核能作为一种新型高效的清洁能源，又越来越为人们所重视。

核能是20世纪人类的一项伟大发现，它的准备时期，可以追溯到19世纪末至20世纪初。19世纪末，英国物理学家汤姆逊发现了电子。1898年，居里夫人发现了放射性元素钋，她又通过艰苦努力，于1902年发现了另一种放射性元素镭。1905年，著名科学家爱因斯坦在其相对论中指出：质量和能量可以相互转换。他提出了质能转换公式E=mc2（E为能量，m为转换成能量的质量，c为光速）。而核能就是通过原子核反应，由质量转换成的巨大能量。

我们从中学的物理课和化学课中已经学到物质是由分子或原子构成的。原子由原子核以及围绕原子核的电子构成，原子核的内部是一定数目的质子和中子。科学家们定义，不涉及到分子变化的过程叫做物理变化。分子变化，而原子不发生变化的过程叫做化学变化。在核能出现以前，人类利用的能源只涉及物理变化和化学变化。直到1942年12月2日，著名科学家恩里科·费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆，才标志着人类从此进入了核能时代。

裂变与聚变

核能分为核裂变能和核聚变能两种。核裂变是当一个重原子核在吸收了一个能量适当的中子后形成一个复合核，这个核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核。核裂变释放出的能量叫核裂变能。核聚变是两个氢原子核结合在一起释放能量的反应，主要包括氢的同位素氘（重氢）和氚（超重氢）的聚合反应。核聚变释放出的能量叫核聚变能。自然界中的大部分氘以重水的形式存在于海水中，1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。核聚变又叫“热核反应”，受控的热核反应目前尚在研究当中。2002年12月2日，我国建成了受控核聚变研究装置——核工业西南物理研究院的中国环流器二号。目前核聚变的实际应用只是利用不可控的热核反应，即制造氢弹，达到工业规模应用的核能只有核裂变能。

那么，让我们来详细描述一下核裂变的过程。一般一个铀–235原子核在中子的轰击下分裂成为几个较轻的原子核，同时放出2～3个中子，并释放巨大的能量，这个反应过程称为核裂变反应。在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀–235原子核裂变，这样一代代传下去，像链条一样环环相扣，使核裂变反应自持（自动连续）地进行下去，所以科学家将其命名为“自持链式裂变反应”。这“一定的”条件有两个，第一个条件是铀要达到一定的质量，这个质量叫做“临界质量”；第二个条件是中子的能量，铀–235原子核在慢速的“热中子”作用下比较容易发生裂变反应。

链式裂变反应能释放出巨大的核能，1千克铀–235裂变释放的能量，相当于2 700吨标准煤燃烧产生的能量。目前，只有铀–233、铀–235和钚–239这三种核素在热中子条件下容易发生核裂变，它们都是核燃料，其中只有铀–235是天然存在的，它在天然铀中的含量（叫做“丰度”）仅为0.7%，而铀–233、钚–239是在反应堆中人工生产出来的。

为了对核反应进行控制，科学家们特别制造了核反应堆。反应堆是通过受控的自持链式裂变反应将核能缓慢地释放出来的装置，是和平利用核能的最主要的设施。

反应堆的种类繁多，一般是根据用途分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆是利用核裂变释放的能量来产生动力，进行发电、供热、推动船舰等。生产堆是利用中子生产新的核燃料（核裂变材料钚–239、铀–233，核聚变材料氚）。研究堆是利用中子进行基础科学和应用科学研究。反应堆还可以生产放射性同位素。除了根据用途进行分类外，反应堆还可以按堆内主要中子能量分为热中子堆（简称热堆）、中能中子堆和快中子堆（简称快堆）；按冷却剂分为轻水堆、重水堆（合称水冷堆或水堆，轻水堆又分为压水堆和沸水堆）、气冷堆和钠冷堆等。

核能引领未来？

为了实现核能的进一步发展，当前世界许多国家的核科学家正在研究与发展先进的反应堆，进一步提高反应堆的安全性和经济性。我国正在研发两种先进反应堆，一种是高温气冷堆，另一种是快中子反应堆。由清华大学核能与新能源技术研究院承担的10兆瓦高温气冷实验堆，由中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆，已分别于2000年和2010年建成运行成功。最近，20万千瓦级模块式高温气冷堆示范电站已在山东荣成动工兴建，准备建设的中国示范快堆电站也已在福建三明完成了厂址选址工作。

在这些核电站建成之后，它们所产生的污染相较于传统能源将有很大减少，其主要污染来自于在建设过程中对钢铁和水泥的消耗，还有制造核燃料必须的浓缩铀。这些材料在其本身的制造过程中，都会产生温室气体，大概和风能漩涡发电机一样（它在建设过程中也要用到钢铁、塑料、稀土等材料），但比太阳能光伏板略少。

不过，在世界其他地方，核能发电产业已逐渐萎缩。在 2011年地震和海啸导致日本福岛第一核电站发生核泄漏之后，日本就没有再启用核电站，德国随后计划终止核能发电，就连法国政府也宣布，计划减少核反应堆的数量。美国现役核反应堆的数量也在减少。核能工业受冷的另一个主要原因是财政压力。建设大型核反应堆，需要花费大量金钱来保证其安全性和可靠性。希望通过对核能的不断深入研究，我们可以找到更简单和廉价的方式来控制和利用核能。