核裂变 为啥核裂变比核聚变易于控制?

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我怀疑绝大多数人在阅读关于核聚变的文章时，比如最近在《时代》杂志上刊发的一篇关于新成立的通用聚变公司（General Fusion）的专题中，人们多半只是关注了“核能”的部分。

德国马普学会等离子体物理研究所的核聚变装置Wendelstein 7-X仿星器。

图片来源：DPA/ALAMY

而实际上，核聚变与核裂变相差甚远。让我们回顾一下这两者的异同点。

质量化为能量

假设我有200万美元，当然，这只是假想情况。出于某些考虑，我决定将这笔钱存到两个独立账户中。存完钱之后，我发现每个账户的金额都只有999999美元。是的，有2美元凭空消失了！可能作为交换，这消失的2美元给我带来了满满的能量。那样或许也行。

核裂变反应中发生的情况也是这样。如果你观察一个原子，你会发现它由3种粒子构成：电子、质子和中子（氢原子不含中子）。原子核中的质子数告诉我们该原子的元素种类（氮的质子数为7，银的质子数为47）。原子量则等于质子数与中子数的和。铀235含有92个质子（这是铀元素的本质属性）和143个中子（因为235-92=143）。哈哈，下次聚会上你又可以多聊两句了。如果两个原子的质子数相同而中子数不同，那它们是同位素（如氕和氘）。

我们回到核裂变上，这部分有些疯狂。如果铀235裂变为两个碎片，那么你会得到氪92、钡141和两个额外的中子。如果将所有的中子与质子都考虑进来，这看起来似乎也很正常。如果你将最初的铀与最终的所有裂变碎片的质量相比较，将会发现有些质量消失了。原有的质量超过了反应之后的质量，这确实有些匪夷所思。是不是有点像将2百万美元均分两份最后却少了2美元？其实能量并没有真正消失——它只是转化为其他形式的能量了。没错，我们可以将质量视为一种能量，这也正是著名的爱因斯坦质能方程所要表述的。

在上面的表达式中，E是等效能量，m是粒子质量，c是光速（常数，值为2.99×108m/s）。由于这一比例常数数值极大（还要平方），极小的质量也会有巨大的能量。这些质量变化带来的能量可以用在哪些方面呢？显然，可以用来加热水并提供蒸汽。这就是核裂变反应堆通常所做之事——它们提供蒸汽驱动涡轮机发电，如同一个燃煤电厂，只是不用煤罢了。

上述例子考虑的是当你将某物分开时质量的变化。若将氢与氘（氢的同位素，中子数为2）结合成较重原子核，同样也发生了质量变化。若轻元素融合，产物质量少于初始原料，这一过程也释放出能量。因此，重原子裂变产生能量（核裂变），轻原子聚变也产生能量（核聚变）。

为什么核裂变优于核聚变？

相对来讲，核聚变相当困难。这一过程不需要中子轰击原子核启动反应，而需要使两个带正电的原子核距离足够近而发生融合。由于原子核并不含有电子，它们带正电且相互排斥。这意味着，原子核的能量必须非常高才能克服库仑力作用发生核聚变反应。不言而喻的是，高能粒子就是问题之所在。这也是核聚变反应困难而核裂变相对容易的原因（实际上也有些难度）。

与核裂变相比，核聚变又好在哪里呢？

核裂变反应堆也有诸多依然悬而未决的问题。首先，反应原料的问题。我觉得Marty McFly在《回到未来》中提到钚的时候，就很好地阐释了这一点：“博士，你不可能走进一家商店买些钚。难道是偷来的吗？”

核裂变反应的原料并非随处可得。事实上，如果你要找寻一些天然钚，那你将一无所获。人工合成钚是唯一的方法。核裂变的另一个问题是反应产物。在核裂变反应之后，剩余的原料不但具有放射性，化学性质也很活性，很难处理。

核聚变则能解决上述的核裂变中产物与原料的问题。核聚变反应的原料更为简单，虽然氘也不那么轻易可得，至少你无需自己制备它。聚变之后，将会生成氦4或氦3。想想这些氦气能让你充多少个气球吧！（撰文：Rhett Allain 翻译：徐丽 审校：胡家僖）