热核聚变与氢弹

第四节　热核聚变与氢弹

太阳里的热核反应和太阳寿命

热核反应在宇宙中是普遍的现象，在太阳和许多恒星内部，温度都高达2000万度以上，在那里热核反应剧烈地进行着。太阳内部，氢是最丰富的元素。

太阳的热核反应是氢核聚变为氦核的过程，在产生能量的机制中，主要是质子－质子循环，其反应式如下。

结果是4个质子聚合成一个氦核，释放出两个正电子。正电子跟电子相遇，发生湮灭，转变为γ光子。整个反应所放出的能量为26.7MeV。太阳的光热主要来自它内部的核聚变反应。

在高温、高压下，在太阳内部的热核反应中，每秒钟可将约6亿吨的氢核聚变为氦核，释放的能量达3.8×10²⁶J，太阳发光、发热的就是这种能量。

太阳已燃烧了近50亿年，太阳每秒钟损耗的质量约四百万吨，据此速度，太阳在过去50亿年的时间中只消耗了0.03%的质量。据天文学家测算，太阳的寿命（即稳定时期）可达100多亿年，目前它正处于稳定而旺盛的中年时期。

太阳上1g氢转变成氦时，放出的能量相当于燃烧15t汽油，而太阳每秒钟则有5亿吨的氢转变成氦。太阳上的氢占总质量的42%，太阳上现在还有多少氢呢？还有1×10²⁷t，它还可以“燃烧”100多亿年。那么，太阳里的氢全部“烧完”之后，太阳是否就“熄灭”了呢？不是的。

科学家认为，当太阳里的氢“烧完”以后，太阳就开始收缩，温度又重新升高到约一亿度，这时便由3个氦原子转化成1个碳原子的热核反应，向宇宙空间散发大量的热，这个过程估计也有几十亿年。接着便是氧开始核反应，最后是内部物质转化为铁，这时便进入老年期的白矮星阶段。最后才进到“死到临头”的临终期，以至走向消亡。

太阳熄灭后，人类是否将毁灭？人类的文明史，仅仅几千年。今后的发展速度将快得使现代人难以置信。展望五十亿年后，难道就不能移居于理想的外星球么！又何愁不能自制一个符合人们生活需要的人造太阳呢？人类将不仅是地球的主人而且必将是宇宙的主人。

受控热核聚变

除核裂变外，核能释放的另外一种形式是核聚变，它是由两个轻的原子核结合成一个较重的原子核的核反应过程。在实验室里可实现的聚变反应主要有以下几种。

从上式可知：将这四个反应联合起来就只需要氘（²H）作原料就可以了。

三个氘核可以产生一个α粒子（⁴He）、一个质子和一个中子，并能放出约22MeV能量。平均每个氘核放出7.2MeV能量，每个核子贡献的能量约3.5MeV能量，而在铀－235裂变反应中，每个核子贡献的能量是0.85MeV能量，所以在核聚变过程中会放出比裂变反应至少增大三四倍的能量。

另外，聚变反应的核燃料氘和氚在地球上和浩瀚的大海中非常丰富，而且它只产生少量的放射性物质，放射性时间短，放射性污染比核裂变轻得多，故而核聚变能被认为是取之不尽，用之不竭的更干净的能源。但是实现人工核聚变可不简单。

核裂变反应中铀－235可以由室温下的热中子引起裂变，并且可以实现自持链式反应。而在聚变反应中，参加反应的轻核带电，存在库仑排斥力，在室温下轻核不可能聚在一起，迄今为止惟一可行的途径是采用加温方法，使它们的热运动能量大到可以克服库仑斥力时，就能发生聚变反应。

计算表明，使氘的气体产生足够能量的聚变反应必须使其达到几亿摄氏度的高温，而对于氘和氚混合气体来说，实现聚变反应的温度也必须高到1亿摄氏度左右。这么高温度下的聚变反应亦称热核反应。另外，引发和控制核聚变也比核裂变困难得多。所以比重核裂变发现得早的轻核聚变的应用，发展得却很缓慢。

要和平利用聚变能，就要实现受控核聚变。这起码需要解决两个问题：一是要获得温度达1亿摄氏度的高温等离子体，即达到热核反应温度；二是要在足够长的时间内把高温等离子体约束在一起。只有这样，才能达到“点火”的目的，使热核反应持续不断地进行下去。

加热聚变物质的方法有许多，可以用输入大功率的电磁波、注入高能量的中性粒子或带电粒子束、绝热压缩、激光束、高能粒子柬等方法来解决。怎样来约束等离子体呢？用普通的容器是不行的，因为没有任何一种容器能承受几千万度的高温。目前采取的办法有两种：磁场约束和惯性约束。

1.磁场约束

我们知道，带电粒子在磁场中或者是沿磁力线运动，或者是绕磁力线旋转，磁场越强，带电粒子旋转的半径越小。所以强磁场能起约束等离子体的作用。

目前，很有前途的一种磁约束装置——托卡马克装置，就是利用环向磁场把聚变物质约束在环形室内。但是，由于高温等离子体很不稳定，而且能够强烈地向外辐射能量，所以要把它们约束较长的时间又能保持高温，还有一定的困难。

美国普林斯顿大学等离子体物理实验室于1982年12月建成的大型托卡马克聚变试验装置（简称TFTR）是目前世界上最先进的试验装置之一。

2.惯性约束

惯性约束概念是基于如下的考虑提出的：在极短的时间内，如果将大量的能量注入到一定量的聚变燃料中，使聚变燃料的密度和温度提高，就完成了核聚变反应。这种依靠等离子体自身的惯性来实现的约束，就叫做惯性约束。

要想实现受控的惯性约束聚变，就要寻找一种小型的点火器，它应该在极短的时间内将少量的聚变燃料加热到可以实现聚变反应的温度。

激光发现以后，引发了现在的激光惯性约束聚变研究。后来，科学家还提出了粒子束惯性约束聚变（其中包括电子束聚变、轻粒子束聚变和重粒子束聚变）的方案。用激光引爆的热核反应跟氢弹一样难以控制，但由于每次参加热核反应的物质很少，所以可以用一连串的微型“聚爆”达到连续燃烧的目的。不过采用这种约束方法，目前达到的压缩密度还不够大，与理论上的点火条件，还有相当大的距离。

从20世纪50年代开始研究受控核聚变，经过50多年的艰难探索，人类在受控制核聚变的研究中，取得了重要进展。特别是激光技术及超导技术的发展，将加快受控热核聚变的实现。

科学家预言，21世纪20～30年代核聚变将开始登上世界能量舞台。而一旦受控热核聚变得以成功，那么长期以来困扰人类的能源问题也将最终得到解决。

新中国历来重视对核聚变的研究。继20世纪70年代氢弹爆炸成功后，于1984年9月在四川省乐山市建成“中国环流器1号”核聚变托卡马克装置，并投入使用。经过十多年卓有成效的实验研究，取得了400多项研究成果。

1995年5月，又在乐山市建成改进的“中国环流器新1号”，它的各项参数均有重大提高，标志着我国研究可控核聚变的实验手段已经达到世界一流水平，并将为人类探求新能源事业做出自己的贡献。

氢弹和中子弹

1.氢弹

氢弹是一种已经在地球上实现的不可控制的热核反应，它利用的主要是氘一氚反应。氢弹主要包括两个部分，一部分是为产生热核反应创造条件（高温、高压、中子、x射线等）的爆炸装置，称为“初级”，它实际上就是一个用作驱动源的原子弹。另一部分是氢弹主体，称为“次级”，内装聚变材料，由它产生主要的热核聚变反应。

氢弹爆炸的基本过程，就是原子弹爆炸的过程加上轻核聚变的过程。

美国首次氢弹原理试验是1952年11月1日在艾尼威托克岛附近的马绍尔岛进行的，它是用液态氘作燃料，质量为65t。爆炸的结果，在海底形成了一个约2km宽、50m深的火山口。当这颗超级炸弹的火球刚刚消失，火焰的圆顶（直径大约为6.5km）和巨大的蘑菇云冲向天空的时候，观察的人们发现附近的艾路基拉伯岛消失了。可见其威力巨大，并且有过强的破坏力。

爆炸的释放的能量相当于300万吨TNT爆炸时的能量，这完全出乎人们的意料。苏联也于1953年8月12日爆炸了第一个氢弹，它是用氘化铀作热核装料，爆炸的效应约为40万吨TNT当量。我国在1967年6月17日成功地进行了飞机空投的氢弹试验，其当量为330万吨TNT。

2.中子弹

中子弹是一种小型化的氢弹，于20世纪80年代出现，中子弹是目前世界E惟一已经实现生产和部署的一种第三代核武器。它的爆炸能量由聚变反应产生，并主要以快中子流的形式向四周释放。中子弹的威力较低（约1000tTNT当量），但其核辐射效应特别大，因此其确切名称是“增强辐射核武器”。

核武器都有冲击波、光辐射、核辐射、放射性污染和核电磁脉冲五种主要杀伤破坏效应，而中子弹则是大大增强了核辐射的毁伤效应。

氢弹和中子弹虽然都属核聚变武器，但它们的杀伤形式是不同的。氢弹是以冲击渡和光辐射为主（占爆炸能量的65%左右）来杀伤生命和破坏设施的，而中子弹是以中子辐射为主（中子能量占70%以上）来杀伤生命的，电磁脉冲是随着中子辐射而出现的占能量较小部分的强脉冲信号。

中子的贯穿作用很强，它可以穿透坦克、掩体和砖墙去杀伤人员，而武器和建设物却能完好地保存下来。由于中子弹放射性污染比较低，因而被称为“清洁的”核弹。此外，中子流作用的时间很短，在中子弹袭击之后，军队能很快进入目标区作战。这些特点决定了中子弹可作为战术核武器使用。