1932年,澳洲科學家馬克·歐力峰發現了核聚變。
1938年,德國科學家奧托·哈恩發現了核裂變。
1945年,美國成功引爆了世界上第一顆原子彈。
然而,世界上第一顆氫彈被引爆卻是在1952年,而且還是透過原子彈間接引爆的。
1954年,蘇聯建成了世界上第一座核裂變發電站。到現在已經數百座核裂變發電站建成使用。
然而,到目前為止,世界上還沒有一座商用核聚變發電站。那些核聚變裝置還停留在試驗階段,而且距離實際應用還有很長一段距離。
到底是什麼原因導致後來才發現的核裂變比核聚變更早地投入商用呢?
核電站發電時排出大量水蒸氣
首先看看核裂變反應。這種反應之所以容易發生,是因為這種反應通常發生在質量數比較大的原子核,這樣的原子核不穩定,隔一段時間就會發生衰變,同時釋放出中子和能量。如果釋放出的中子打中其它原子核,又會使其它原子核裂變成較小的原子核,同時又放出中子等高能粒子和大量能量。這樣就形成鏈式反應,不斷地進行下去,瞬間釋放巨大的能量。這就是原子彈爆炸的原理。為了獲取核裂變釋放出來的能量,人類發明了裂變堆,透過重水、石墨棒等材料來吸收中子或使中子減速,從而實現可控核裂變。
原子彈爆炸升起巨大的蘑菇雲
再看看核聚變。為什麼核聚變起了個大早,卻連晚集都趕不上呢?根本原因在於庫侖力。我們知道,原子是由原子核和核外電子構成,原子核中的質子和電子相互吸引,電子繞著原子核運動。要使兩個原子核聚合在一起,首先要把“死纏爛打”的電子從原子上剝離掉。方法很簡單,因為溫度是微觀粒子平均動能的宏觀體現,只要升高溫度,電子得到了足夠的動能就會不受束縛遠走高飛,剩下原子核在“裸奔”,這樣就形成了等離子體。此時,如果兩個原子核能撞到一起,那麼就會發生核聚變。
溫度與粒子的熱運動
然而,原子核中的質子都是帶正電的,兩個質子之間相互排斥,這種斥力稱為“庫侖力”,其的大小可以透過庫侖定律計算出來。
質子的直徑大約是1.65x10-15m,假設兩個質子的之間距離相距為10倍直徑,此時質子仍然可看作點電荷,由庫侖定律 F=kQ1Q2/R2 得 F≈8.46N。
可見,小小的質子間相距10倍距離就已經有大約雞蛋六分之一重量的斥力,而且它們之間靠得越近,斥力增加得越快。要想克服質子之間的斥力讓兩個原子核發生核聚變,必須使質子的運動速度極大的增加,直到能撞得“頭破血流”。而實現質子運動速度增加的方法也是升高溫度,而且是把溫度升高到四千萬攝氏度以上甚至數億攝氏度。太陽的核心溫度才1500萬攝氏度左右。
庫侖定律
另外,運動的質子可以向各個方向撞擊,周圍的質子太少則碰撞的機率降低,而多次撞歪則可能導致速度減少。為了保證“迎頭碰撞”的成功率,可以增大周圍質子的密度。然而不幸的是,質子之間的庫侖力會使等離子體的密度降低。因此,要讓等離子體的密度增加,必須增大壓強,把等離子體束縛在狹窄的空間內。而壓強要增大到上千億個大氣壓才能有效促進核聚變反應,要知道,海底最深處才只有1100個大氣壓。
等離子球
所以說,核聚變反應之所以很難發生是由電荷的基本屬性決定的(同種電荷相互排斥,而且斥力隨距離的減少迅速增大)。因此,那些關於冷核聚變的觀點,妄想不用高溫高壓就能實現大量核聚變,無疑是天方夜譚。