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作者：《核能》编写组

出版社：世界图书出版公司

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核能试读：

引言

20世纪以来，随着科学技术的日新月异，经过了多种研究发展，人们发现了核能并把它作为战略性的能源加以利用。核能对军事、医学以及农业、工业的发展起到了很大推动作用。而随着全球环境污染的加剧和能源危机的不断威胁，核能正在成为继煤炭、石油、天然气之后最为重要的能源种类。在深刻地改变着世界能源格局的同时，核能也在深刻地影响着人类的思想，改变着世界的面貌。

核能，又称原子能，可以通过核子裂变或聚变而产生巨大能量。在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。在军事上，这种能源既可以制造成杀伤性和破坏性极强的原子弹威慑敌国，也可以用作燃料推进核潜艇遨游大海。

在民用方面，核能最大的贡献是核能发电。目前全球共有核电站441个，其中美国104个，法国59个，日本54个，俄罗斯31个，英国23个，韩国20个，德国18个，加拿大17个，乌克兰15个，印度14个。在未来的日子里，各国对于核电的需求将越来越大。不仅是发展中国家，就连亚洲工业化程度较高的日本、韩国等国，对核电的需求也在增加。尤其是核电站数目排美国和法国之后的日本，正打算在未来10年里，将核能占总供电量的比例从目前的30％提高至40％。作为能源领域的后起之秀，核能正在扮演着越来越重要的角色。

因此，美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。但就在人类大力发展核能的同时，问题也出现了。核废料、核污染、核辐射、核事故等一系列问题凸现，考验着人类的智慧。

那么，核能到底是怎样的一个事物呢？本书将给你一个深入浅出的答案。

一 核能的发现

1．从铀开始，认识核能

核能是人类历史上在与大自然作斗争中获得的最大报酬，核能将在人类了解自然、改造自然、从自然中获得最大自由的斗争中扮演重要角色，它将几乎彻底地解决人类未来百亿年的能源需要。那么，原子核能是怎么被发现的呢？要说明这个问题，我们需要先来认识一下铀这种元素。

20世纪40年代以前，铀通常被人们认为是一种稀有金属，尽管铀在地壳中的含量很高，比汞、铋、银要多得多，但由于提取铀的难度较大，所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛，但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床。人们认识铀正是从这两种矿石开始。

1789年，它由德国化学家克拉普罗特从沥青铀矿中分离出，就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium，元素符号定为U。1841年，佩利戈特指出，克拉普罗特分离出的“铀”，实际上是二氧化铀。他用钾还原四氯化铀，成功地获得了金属铀。1896年有人发现了铀的放射性衰变。1938年，哈恩和斯特拉斯曼发现了铀的核裂变现象。自此以后，铀便变得身价百倍。纯金属铀是原子弹和核反应堆中使用的主要原料、燃料。而实际上，铀最初只用作玻璃着色或陶瓷釉料，少量用于电子管的除氧剂和惰性气体提纯（除氧、氢）。

在居里夫妇发现镭以后，由于镭具有治疗癌症的特殊功效，镭的需要量不断增加。因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼镭，而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边，成了“废料”。然而，铀核裂变现象发现后，铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此，铀的开采工业大大地发展起来，并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。

纯净的铀是一种带有银白色光泽的金属，比铜稍软，具有很好的延展性，很纯的铀能拉成直径0.35毫米的细丝或展成厚度0.1毫米的薄箔。铀的比重很大，与黄金差不多，每立方厘米约重19克，像接力棒那样的一根铀棒，竟有10来千克重。块状的金属铀暴露在空气中时，表面被氧化层覆盖而失去光泽。粉末状铀处于室温下，在空气中甚至在水中就会自燃，在接近绝对零度时有超导性。美国用贫化铀制造的一种高效的燃烧穿甲弹——“贫铀弹”，能烧穿30厘米厚的装甲钢板，“贫铀弹”利用的就是铀极重而又易燃这两种性质。

由于铀的化学性质很活泼，所以自然界不存在游离的金属铀，它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有170多种，但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种，其中最重要的有沥青铀矿（主要成分为八氧化三铀）、品质铀矿（二氧化铀）、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物（铀化合物）这种发荧光的特性，才导致了放射性现象的发现。铀棒

自然界中的铀称为天然铀，有3种同位素：铀-238，铀-235，铀-234。这3种同位素的核特性相差很大，只有铀-235原子核才容易裂变。每个铀-235原子核裂变释放的能量微乎其微，要1300多亿次裂变，才能使1克水温度升高10℃；要914.9万次裂变，才能产生相当于1克标准煤燃烧发出的热。但1克铀-235有5.6万万亿个原子，因此，原子核裂变放出的能量是非常巨大的。

2．18亿年前的天然核反应堆

1972年，法国科学家在考察从非洲加蓬共和国奥克洛矿区运来的矿石中，发现铀-235的含量比正常的偏低。这引起了他们的注意，因为铀的分布含量是很恒定的，即使从月球上采回来的岩石样本含铀-235的也和地球上的含量接近，所以他们进行了现场勘测。他们发现远在18亿年前，由于自然界的巧合，在奥克洛矿区曾出现过至少6座核反应堆，断断续续地运行了几十万年，释放出相当于2000多万吨煤燃烧放出的热量。非洲加蓬共和国奥克洛矿区

根据这一发现，我国地质学家侯德封教授曾断言，世界上很早出现过铀-235的天然链式反应，并认为各种裂变和衰变放出的核能，是地壳早期演化的动力，因此，过去的地球曾是一片核能世界。

今天世界各地建造的各种裂变反应堆，不过是宇宙间规模更大、时间更长的天然核裂变反应（包括奥克洛出现的裂变反应）的缩影，它们的基本原理是相同的。但作为人类智慧的结晶，现在的核能与核技术相比之下要细致和精密多了。

3．原子核式结构模型的提出

而说到中子的发现，我们不能不提到卢瑟福提出的那个格外著名的原子模型：那闪闪发光的电子沿着错综复杂的轨道，围绕当中的原子核急速回旋，这一图形还常常被作为科学现代化的标志。卢瑟福的原子模型

1911年卢瑟福通过氦核轰击金箔，观察到少数氦核发生大角度偏转后，他提出了原子的核式结构模型，1919年卢瑟福还用氦核轰击氮核，第一次人工获得原子核的改变，氮核转变为氧核，同时放出质子。卢瑟福还猜想原子核中有一种质量和质子差不多，但不带电的微粒，他把这种微粒称为中子。后来中子被他的学生用实验证实。而中子的发现可说是核科学最伟大的发现之一。

卢瑟福和他的助手用氦核和中子轰击其他元素，不断产生新元素的转变工作，获得人们的欢呼和喝彩，他们被誉为可以点铁成金的“点金术士”，卢瑟福和助手们用原子核轰击法产生的新元素比金子更宝贵更有价值。卢瑟福对原子的研究取得辉煌成果，然而对于原子能量开发却抱着悲观的态度，他们认为通过核反应获得的能量极端可怜，因此实际运用价值不高。

然而，当1938年哈恩首先发现了铀核的裂变后，到1942年费米等科学家们在历史上首次实现了核裂变的可控制的链式反应时，科学家们相信了核能可以被人类利用，而且力量惊人。特别是到了1945年8月6日，当落下日本广岛的核武器顷刻间把一座城市夷为平地时，全世界人们都惊呆了。核能、原子核内部释放出的巨大能量终于被全世界的人们认识了。

4．天然放射性与人工放射性

人类真正能利用原子核能起源于两大事件。一是人工放射性的发现，二是中子的发现。

自然界中存在放射性物质，能使黑纸后面的相片感光，科学家就是根据这点推想出放射性物质放射出我们肉眼看不到的射线，放出放射性的射线意味着原子核在衰变。我们平时听说的α射线其实质就是氦核的粒子流，β射线其实质就是电子流，而γ射线实质是波长很短的光子流。

1896年法国科学家贝克勒尔发现了铀的天然放射性，铀能自动不断地放射出一种穿透力很强的射线，它能透过黑纸使照片感光，这种现象即为放射现象。自铀的放射性被发现以来，核能与核技术的发展十分迅速。铀-235裂变后，除产生很强的放射线，释放出大量中子外，还要释放出大量能量。

1903年，居里和拉博尔德注意到，特别纯的镭盐样品经常显示出比周围更高的温度，每克镭每小时总计放出100小卡的热量。随着放射性研究的深入，这个问题的答案变得清楚了。放射性射线从原子内射出时，它的粒子带来较大的动能，这些动能的一小部分就转变为热能。

由于镭的射线每时每刻不停地在放射，它时复一时、日复一日、年复一年地一直在释放能量。科学家们研究发现，公元元年开始衰变的镭元素，直到1622年之后才使自己的放射性强度衰减为开始时的1/2。因此，在这1600多年内，镭所释放的能量总和将是惊人的。由于放射性现象是由原子核的活动所引起的，很明显这种放射能只能来自原子核。原子核里可能蕴藏着如此巨大的能量吗？爱因斯坦早在21905年发表的质能关系式E=mc（m是质量，e是能量，c是真空中的光速。）就已经预示了这种可能性。

1934年，居里夫妇的女儿、女婿约里奥·居里夫妇在用α粒子轰击铝27时，得到了放射性同位素磷30。原先不具有放射性的元素经人工轰击后，转变成具有放射性的另一种元素，这样获得的放射性叫“人工放射性”。这一发现为人工实现新的核反应开辟了一条新路，引起了全世界科学家的极大兴趣。试验台前的约里奥·居里夫妇

5．中子的发现与核裂变

在进一步了解核能之前，我们先来了解一下诺贝尔的烈性炸药，诺贝尔发明的安全的烈性炸药硝化甘油和雷管，这些爆炸物产生的能量来自化学能。核能与化学能两者的能量相差百万倍。

那么化学能是怎么来的呢？原来原子核的外面围绕着高速旋转的核外电子，这些核外电子围绕着原子核在高速运动，当这些电子从一个原子逃离被另外一个原子捕获的过程，这是电子发生得失的过程，或者一个电子和它围绕的原子核发生位置变迁的过程，就是说电子发生转移的过程。这种电子发生得失或电子发生转移，就会发生化学变化，而其中将伴随着化学能的转化过程。这个化学变化的过程中，只有电子发生变化，而原子核没有发生变化，也就是原子核内的能量没有发生转化。

而要使原子核的能量得以释放出来，就要想办法分离原子核的内部结构。原子核的内部是质子和中子组成，质子和中子都统称为核子，核子的相互作用力非常的巨大。平时在化学实验室做的加热、加压、通电等条件都不能使原子核分离。要想把原子核中的核子分开，利用核子重新组合释放出巨大而可观的能量，谈何容易？难怪研究原子核的物理学的奠基者卢瑟福都不能相信核能会有实际利用的价值。但是事情正在其变化。

人们最终找到启开原子核宝库的钥匙，要归功于中子的发现。

1932年，英国物理学家查德威克发现了中子。中子的质量与质子相同，但不带电。中子的发现在理论上和实践中都产生了很大影响。理论上，很快就提出了原子核是由中子和质子组成的核结构模型。实践中，由于中子不带电，很容易接近静电力强大的原子核，成为轰击原子核引起新的核反应的理想“炮弹”。

1934年，意大利物理学家费米把这两点结合起来，用中子作为“炮弹”，系统地轰击了周期表上的63种元素，得到了37种新的放射性同位素。同年10月，费米和他的助手又观察到，当中子束通过某种含氢物质时，中子引起人工放射性的效能就会增大。费米认为，这是由于中子与氢原子弹性碰撞，中子被慢化的结果。慢中子及其效应的发现，是原子能发展史上具有重大意义的成果之一。外来中子轰击铀核产生裂变

1938年，德国科学家奥托·哈恩和施特拉斯曼用中子轰击铀时，发现产生的物质具有钡的全部化学特征。这就表明，铀吸收中子后，并没有变成更重的元素，而是分成了差不多大小的两半。这个实验结果传到了在丹麦避难的奥地利女物理学家梅特纳和她的侄子弗里什那里，他们经过认真思考和讨论，大胆打破了传统观念，明确作出了铀裂变的结论。不久，许多国家的科学家都成功地重复了这个实验，从而使铀核裂变得到了确认。约里奥·居里等人很快又在实验中证明，每次核裂变可以释放出二三个中子，这就为核裂变链式反应的可能性提供了必要的条件。一旦链式反应实现，它就会释放出巨大的能量，这就是原子核能，即人们通常所说的原子能。

所谓“核裂变链式反应”，简单来说，可以这么理解：1个中子打碎1个铀核，产生能量，放出2个中子来；这2个中子又打中另外2个铀核，产生2倍的能量，再放出4个中子来，这4个中子又打中邻近的4个铀核，产生4倍的能量，再放出8个中子来……。以此类推，这样的链式反应就是一环紧扣一环的反应，持续下去，宛如雪崩，雪球带动雪球瞬间形成大雪球，滚下山坡，势不可挡。这意味着：极其微小的中子，将有能力成为“点燃原子的火花”而释放沉睡在原子核牢笼里的能量巨人。

6．核裂变的临界质量

原子核释放出的能量到底从哪里来的呢？

科学家发现核反应后原子的总质量比反应前的总质量少了，发生了质量亏损现象。就是这部分亏损的质量，转化成了能量。这就是说原子核能的能量来自于原子核质量亏损的结果。

正如爱因斯坦而言：“质量就是能量，能量就是质量”。而早在1905年，爱因斯坦就提出了著名的质能方程关系式。当时，他正在研究相对论。他认为能量和质量可以转化，能量越大质量越大，能量越小质量越小。质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的2质量。他的质能方程关系式表述为E=mc，E是能量，m是质量，c是光速。能量的变阿尔伯特·爱因斯坦化应该等于质量的变化和光速平方的乘积。

不过，核材料只有在达到一定质量条件，才能够通过裂变释放出能量。这个质量条件就是临界质量。临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量，是维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量。少量的裂变材料不能维持链式反应（绝大多数中子逃逸了）。临界质量的大小取决于裂变材料的种类、结构密度、几何形状以及核装置中有无中子反射层结构等。不同的可裂变材料，受核子的性质（如裂变横切面）、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响，而会有不同的临界质量。

刚好可能以产生连锁反应的组合，称为已达临界点。比这样更多质量的组合，核反应的速率会以指数增长，称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应，这种临界被称为即发临界，是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小，裂变会随时间减少，称之为次临界。

恩利克·费米最先发现超临界组合，不一定同时是超过即发临界。他的发现开展了受控制的连锁反应的研究，后来发展的核子反应堆及核能都是出于这一发现。

在一定的材料成分和几何布置下，系统达到临界所需的易裂变物质的最小质量称为临界质量。任何由易裂变物质组成的系统，只有当它的质量达到或超过临界质量时，才能产生自持或发散的链式裂变反应。系统的临界质量与材料的成分有关，如易裂变材料的种类（铀-235、钚-239和铀-233）及其富集度，慢化剂材料的性质和系统内各种材料所占的比例以及反射层的材料及其厚度等。临界质量也与系统内各种材料的几何排列和系统的形状有关。

能够以最少的物料到达临界质量的形状是球形。如果在四周加以中子反射物料，临界质量可以更少。有中子反射的球形铀-235临界点为15千克左右，钚则为10千克左右。

核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例，可以把铀分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。二战后期，美国投掷在日本广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上，造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钚核弹不能以这种方法引爆。第一枚钚原子弹“胖子”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压，增加密度及减少空间，造成即发临界。这种设计称为“内爆式”。

7．第一次自持链式反应

重核裂变的荣誉属于哈恩和他的同事，不过费米却在美国芝加哥大学建造了世界上的第一座核反应堆，可控制的自持式核裂变为原子弹的发明提供数据和机理。

1941年3月，西博格用中子轰击硫酸铀酰制得了微量钚-239，劳伦斯发现了钚-239的裂变，于是美国科学家就考虑用天然铀建造了30座次临界装置，以研究实现链式反应并控制这种反应的规模的条件。

1942年7月，科学家们已经相信自己有能力设计一座可以实现链式反应，并加以控制的反应堆了。11月，意大利物理学家恩里科·费米领导在芝加哥大学建造第一座反应堆。芝加哥大学地处人口稠密的区域，在这里建造第一座反应堆，其大胆之决策令人侧目。

他们将反应堆建造在芝加哥大学一个废弃的足球场看台下的角落内，它是用许多层石墨砖和金属铀块堆砌而成的。费米等人设计了一个木架栅格，然后在上面放置一层层的石墨砖，在相同的栅格之间放入铀或氧化铀块，因为当时费米得到的纯铀金属不足。这样由下到上分层交叠，最外层用厚度为30厘米的石墨层作为反射层，以防止中子泄漏。他们共用去40吨天然铀核燃料，293吨石墨慢化剂，92吨反射中子用的反射层石墨，才造成底部7.47米见方，高5.8米的反应堆，中间插入一根镉等材料制成的控制棒。然后开始了第一次受控的核能释放。链式反应示意图

人类第一座自持反应堆的实验很顺利，虽然它只工作了28分钟，它是一个具有划时代意义的事件，它标志着人类进入了核能时代，为人类开发利用核能开辟了广阔的前景。虽然第一座反应堆的功率只有2千瓦，不及目前最大反应堆热功率的1/2000000，它终究在人类历史上开辟了一个新纪元。

人类第一次利用了核子反应堆，从中获得了核能，凝集了许多科学家和工程师们的心血。科学发现的历程也是科学家们互相探讨彼此互相促进才完成。如果只靠少数几个科学家的天才和勤奋，还是难于把科学转化为生产力从而更好的为人类服务的。

8．链式反应产生巨大能量

原子核链式反应中所发生的情况也正是这样。当哈恩的实验结果和迈特纳的理论传到美国时，在美国工作的费米一方面懊悔自己错过了发现重核裂变的机会，一方面又抓紧时机继续他的研究工作。他想，要获得巨大能量的关键在于使大量铀核在短时间内发生裂变，如果在裂变过程中同时有若干个中子也蜂涌而出，那么是否新的中子也能引起下一代更多的原子核的裂变呢？假使能这样一代比一代极快地“繁殖”下去，就会在一刹那时间的链式反应中“繁殖”几百代，费米注意到铀-235分裂时不仅分为大致相同的两半，同时还放出中子，这些中子又有可能引起其它铀核分裂。假定1个中子使一个铀核分裂，从而放出2个中子，这2个中子可使2个铀核发生裂变（即2个中子产生2次裂变）并放出4个中子，这4个中子又能使4个铀核裂变，产生更多的中子，这样1变2，2变4，4变8，……，一环接一环地变化下去，铀核裂变就将自发地继续进行，形成了“链式反应”。链式反应释放巨大能量

铀原子核在裂变时要放出20亿电子伏的能量，在链式反应中，第一个铀核裂变就产生20亿电子伏的能量；在第二阶段有2个铀核裂变，总共放出40亿电子伏的能量；第三阶段则放出80亿电子伏能量；依此类推，由于前一阶段和后一阶段之间只相隔1/50万亿秒，因此要是能够实现链式反应，一瞬间就会有千万个铀核分裂，它们几乎同时放出的能量将巨大无比，会形成强烈的爆炸。例如，1克铀裂变所产生的爆炸力，相当于20吨TNT炸药的爆炸力。

铀裂变反应释放出异乎寻常的巨大能量，比一般放射性现象所放出的能量多得多，更重要的是因为它会释放出二三个中子。许多物理学家发现，发生原子核“链式反应”的概率（即可能性）是惊人的巨大。

你也许会问，照此说来我们简直坐在火药桶上了，说不定哪一天，一个中子引起了一块铀的链式反应，大家岂不统统完蛋？不必担忧的是，自然界里的铀元素虽然比黄金还多400倍，但是，它们却分得很散，要想找到一块哪怕只有1克的纯铀，也比找到同样重的黄金块还要困难得多，由于铀矿石很不纯，其他杂质很容易吸收中子，因此，即使有链式反应发生，由于中子很快被吸收掉了，链式反应也就逐渐停止下来。就像烧湿柴的情况那样，你虽然能点燃柴火，但它们烧了一会就熄灭了。

就在费米做出这些设想的同时，约里奥·居里夫妇和流亡在美国的匈牙利籍物理学家西拉德也有类似的设想，他们通过各自的研究都独立地论证了实现链式反应的可能性，并且也都在1939年的春天发表了他们的研究成果。

9．热核聚变提供新途径

虽然重核的裂变为人类提供了一个崭新的能源，但仍然有它一定的局限性，譬如核燃料工艺复杂，费用昂贵，使用之后废物综合处理困难等都还一时难以解决，所以还得寻找一项更为理想的核能利用途径。受控热核聚变就是途径之一。由于热核反应所需的原料主要是氢、氘和氚，氘含在普通的水中，而水则遍布地球的五大洲四大洋。据统计，1千克海水中含有0.034克氘，故地球上汪洋大海包有23.4万亿吨氘，足够人类使用几十亿年，因此可以说，受控热核反应这个新能源是一项无穷无尽的持久能源，它取之不尽、用之不竭，是解决未来世界能源的一个重要方面。

那么什么是热核聚变反应呢？

热核聚变反应，简称热核反应，又称轻核聚变。当2个或2个以上的较轻原子核［如氢的2种同位素氘（D）和氚（T）］，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核（如氦，）同时释放出巨大的能量，这就是“轻核聚变”。因为热核聚变反应示意图这种反应必须在极高的温度下（1亿～5亿℃或107K以上）才会发生，所以也叫热核反应。

人类对轻核聚变的认识最早来自于对太阳的研究。人所皆知，高悬在头顶的太阳时时向外辐射巨大的能量，那么，这些能量从何而来？太阳为什么亿万年来发光不息？

有人曾假设太阳是一只大煤炉，在它上面进行着燃烧反应，碳元素和氧元素化合成二氧化碳，并放出热量。如果是这样的话，整个太阳全部烧完也只能烧几千年。可是根据天文学家估计，太阳的年龄已有50亿年左右。显然假设太阳是大煤炉的想法是与现实不符合的。

1920年英国天文学家爱丁顿推测这些能量很可能产生于太阳内部某些粒子的相互作用。1929年美国天文学家H·N·罗素经过研究，认识到太阳总体积的60％是氢（现已知是78％左右）。既然太阳上大部分是氢，还有不少氦，于是人们便猜测到太阳上可能进行着氢核聚变为氦核的过程。太阳的能量来自于太阳的中心核反应区。约占太阳半径的20％，集中了太阳质量的21/2。高温高压使这里的氢原子核聚变为氦，根据爱因斯坦的质能转换关系E=mc，每秒钟有质量为6亿吨的氢热核聚变为5.96亿吨的氦，释放出相当于400万吨氢的能量。

1938年，德国出生的美籍物理学家贝特和德国物理化学家魏茨泽克分别独立地论证了太阳辐射靠氢核聚变为氦核来维持的可能性，提出太阳上的热核反应是氢聚变成氦。在太阳上，每秒钟都有6.5亿吨氢聚合成氦，同时发生460万吨的质量亏损，据估计这样反应还能维持50亿年左右，并且聚变反应是恒星所辐射的能量的源泉。

轻核聚变的种类较多，一种是氢核反应，比如太阳和其他类似恒星上的反应，由4个氢核聚合成1个氦核；另外，还有D-D（氘—氘）、D-T（氘-氚）及D-He3反应等，从理论上考虑，比较典型的反应是这种D-T聚变反应堆最有希望首先运行，它的成功可导致D-D反应堆的发展。

与裂变反应相比较，热核反应除了原料来源极端丰富外，还具有如下几个独特的优点：

1．在热核反应中所释放的能量比核裂变大得多，1千克氘氚混合物聚变时所产生的能量大约相当于1.16万吨标准煤燃烧时所释放的热量。

2．热核反应之后最后生成物是α粒子与中子，其放射性少，放射性寿命短，比裂变过程要干净得多。

3．从热核反应中得到大量中子，它们可以用来生产核武器中的重要原料“钚”。

现在核聚变技术的成熟的应用就是氢弹。不过基于核聚变技术可以产生巨大的能量，很多国家，包括我国都在积极研究和平核聚变技术，即实现人工控制核聚变，使它用来发电，就像裂变一样。但是也正因为能量太大了，使它极不受控制，现在仅有的成果就是能够利用托卡马克装置实现2000万~5000万度以上的人造太阳，仅仅能维持数十秒钟。日本在2000万度的温度下，使“人造太阳”稳定地存在了31分钟45秒。我国曾实现了长达20秒的可重复高温等离子体放电，最高电子温度超过3000万度，令人鼓舞。

10．核聚变研究仍然困难重重

既然核聚变所释放的能量比核裂变大得多，自然人们会想到如何利用核聚变能的问题。由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间的静电排斥力很强，只有我们使2个粒子或其中的1个粒子具有很高的速度（即具有很高的温度），才能克服静电斥力使核靠近而发生数量可观的核反应，这速度据计算，差不多需要每秒几百千米至1000千米。怎样才能获得产生核聚变所必须的高温？原子弹爆炸释放的能量给人们提供了一种可能性。

按照这个思路，1952年11月1日美国在太平洋马绍尔群岛的一个珊瑚岛上以原子弹引发了第一个热核装置，它的爆炸力相当于1000万吨TNT，是广岛那颗2万吨级核弹的500倍！这次爆炸是那样厉害，竟把那个小岛都炸个精光。有人把这种炸弹称之为“地狱之弹”，其实它正式名称叫氢弹，它是利用氘聚变成氦时所释放的巨大能量进行爆炸的。随后各国竞相研制氢弹，展开了新的军备竞赛。1953年8月12日，苏联进行了一次成功的热核爆炸。从制造出裂变炸弹到发展成聚变炸弹，美国花了7年半时间，而苏联只用了5年。1967年6月17日，我国爆炸了自行研制的第一颗氢弹，成为聚变俱乐部的第四位成员，氢弹的杀伤力比原子弹大得多，所以爱好和平的人民都希望它永远不会成为真正的杀伤武器。

用人工的方法实现轻核聚变目前已在氢弹爆炸中做到了，但可惜的是，这种聚变反应所释放的巨大能量，是在几百万分之一秒的瞬间发生的。这种快速能量释放过程，除了用在爆炸之外，毫无其他用途，能不能像费米控制裂变反应那样，设计一种反应堆，使聚变反应的能量也可以一点一点释放出来，而不是一下子释放出来呢？人们决定要控制热核反应，受控热核反应迅速地成为科学家所面临的重大研究课题。

首先想到要解决这个问题的又是那位善于发现物理学新大陆的新哥伦布——费米。从20世纪40年代，费米和他的同伴开始研究“受控热核反应”起，直到今天，物理学家还没有找到一种方法，可以使那巨大的聚变能量一点一点地释放出来。各国物理学家都在做着不懈的努力，试图解开这个谜。但是，大家都遇到了一些似乎是不可克服的困难。关键问题是要解决核聚变所需要的高温。要实现均匀而又持续的聚变反应，首先要实现点火。这就如同生炉子一样，先得点燃柴禾。把一只普通炉子点燃，只要划一根火柴就行了。用火柴点火时的温度只有几百度，可是要实现聚变反应，所需的点火温度是这个温度的几万倍乃至几十万倍。太阳上的聚变反应的点火温度，大约是2000万度。要在地球上实现聚变反应，由于其他条件的限制，点火温度还要高得多。1944年，费米根据地球上的条件估算出，要使氘和氚的混合气体实现聚变反应，其点火温度至少要达5千万度。而纯粹由氘来实现聚变反应，点火所需温度高达四五亿度。只有这样，才能使氘核克服静电排斥，彼此靠近而发生聚变。问题的困难还不只是要设法达到如此高的点火温度，更在于要把这几亿度高温的火球放在炉膛里持续不断地燃烧。到哪里去找这样的容器呢？地球上的所有物体都经受不住这几亿度的高温。用磁场做容器

有人想出了一个非常聪明的办法——用磁场做容器。因为在几亿度高温下原子被分解了。原来围绕着原子核转的电子，脱离了原子核，使得由中性原子组成的氢气被电离成了由带负电的电子和带正电的原子核（正离子）组成的特殊气体，由于其正、负电荷密度相等，所以物理学家称之为“等离子体”，它是除气态、液态、固态之外的物质的第四态。高温的等离子体对容器的器壁必然产生很大的压强，我们必须设法让这高温高压的等离子体悬在容器当中，而不能让它和器壁有任何接触，否则非但高温等离子体会冷下来，使反应不能进行，而且容器本身也会因接触高温而融化甚至烧毁。

但几亿度的高温把不带电的原子分解成两种带电粒子后，事情就好办了。物理学家知道，带电粒子在磁场中运动时，会受到磁场力的作用而绕着磁力线做螺旋式运动。于是，人们设计了一个特殊的磁瓶，在它的轴向有一个强大的均匀磁场，它的磁力线都与轴向平行。带电粒子在这个磁场里运动时，都绕着磁力线沿螺旋线形状的轨道运动，带正电的沿顺时针方向转，带负电的沿逆时针方向转。在几亿度的高温下，带电粒子在磁场里运动得非常快，为防止它们从管子两端逃走，物理学家又在管子两端各加上一个线圈，使两端的磁场大大加强。带电粒子走到那里就会被磁场力反射回来，就像光线遇到镜子被反射一样。所以，这两个线圈又叫“磁镜”。有了这两个磁镜，等离子体就被“关”在磁瓶里了。这样的一种装置叫“环流磁真空室”，又叫“托卡马克”装置，它首先由苏联科学家于1954年研制成功。我国于1974年7月建成的托卡马克装置——中国环流器1号也已运转多年，取得不少成果。

然而，等离子体是很调皮的，磁瓶只能把它关一瞬间。20多年来，物理学家们费了九牛二虎之力，才把“关押”等离子体的时间提高到1/100秒（0.01秒）以上。这个进展虽然十分缓慢，但毕竟离最终目标（0.1~1秒）越来越近了。

因此，热核聚变能的和平利用目前尚处在研究阶段，离实用还有相当的差距，但基于其取之不尽的资源来源和优越的性能，能量大，且没有像裂变堆那样产生大量放射性废物，故其应用远景是很好的，人们预计在21世纪中叶可望能用于商业。另外，正在研究中的还有冷核聚变（即在室温条件下的核聚变）。要是真的能够实现室温核聚变，核能的利用又将是另一番情景了。

11．核能小知识

世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子，质子数决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核（由92个质子和143个中子组成）和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球，那么原子核就相当于一个乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。2．同位素

质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子被称为同位素，它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单的说同位素就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。3．铀的同位素

铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235，它们所占的比例分别为99.3％和0.7％。除此之外，自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。4．核能及其获取途径

核能，是核裂变能的简称。50多年以前，科学家在一次试验中发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，在放出2~3个中子的同时伴随着一种巨大的能量，这种能量比化学反应所释放的能量大的多，这就是我们今天所说的核能。核能的获得途径主要有2种，即重核裂变与轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变，前者所释放的能量约为后者的3倍多。被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变的原理。只是实现核聚变的条件要求的较高，即需要使氢核处于6000度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。5．重核裂变

重核裂变是指一个重原子核，分裂成2个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。例如，当用一个中子轰击U-235的原子核时，它就会分裂成2个质量较小的原子核，同时产生2~3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，裂变反应不断地持续下去，从而形成了裂变链式反应，与此同时，核能也连续不断地释放出来。6．轻核聚变

所谓轻核聚变是指在高温下（几百万度以上）2个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应。它是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般的温度和压力下，很难发生聚变反应。而在太阳等恒星内部，压力和温度都极高，所以就使得轻核有了足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。

氢弹是利用氘、氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量这一原理制成的，但它释放能量有着不可控性，所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”也是应用了轻核聚变原理，由于这种热核反应是人工控制的，因此可用作能源。

二 原子弹横空出世

1．美国的曼哈顿工程

使用常规炸药有规律的安放在铀的周围，然后使用电子雷管使这些炸药精确的同时爆炸，产生的巨大压力将铀压到一起，并被压缩，达到临界条件，发生爆炸。那么铀又是怎么应用于原子弹的呢？其实也容易理解。通过前面介绍，我们知道，将2块总质量超过临界质量的铀块合到一起，就会发生猛烈的爆炸。

1939年初，当铀核可以裂变的消息传到美洲大陆时，流亡在美国的匈牙利物理学家西拉德马上预言可能存在铀核裂变链式反应。不久，约里奥·居里和冯·哈尔班等人的实验证实，某些铀核裂变时确实会再放出2~3个第二代中子，且释放出巨大的能量。而这种链式反应是在1/50万亿秒的时间内发生。这么巨大的能量在这么短暂的时间里释放出来，将形成强烈爆炸。西拉德担心，这样一种新的爆炸方式要是被纳粹获得，那对全世界将是一场巨大的灾难。

科学家们忧心忡忡。西拉德与另外2个匈牙利物理学家威格纳和特勒，从1939年4~7月末，一直在苦苦地思索，怎样让美国政府了解核裂变的巨大意义，以及一旦把它应用于军事目的，将会带来何等可怕的后果。很多方法都用上了，但是均未奏效。而此时，法西斯德国已经开始注意铀核裂变应用于军事的问题了，德国的纳粹政府军械部组成了一个“铀学会”，专门负责铀核裂变的研究工作，并且突然禁止从被他们占领的捷克出口铀矿石。

1939年8月，西拉德等人说服了当时威信最高的爱因斯坦，请他出面写信给美国总统罗斯福，陈述铀裂变有可能用来制造威力空前的炸弹，并特别提到德国人也在进行的工作，促使罗斯福作出迅速采取行动的决定。

爱因斯坦答应用他的名字起草一封信，给美国总统罗斯福，他请求美国政府立即组织力量加强链式反应的研究以遏制德国。信是在1939年的8月20日写的，同年10月11日由罗斯福总统的好友银行家萨克斯转交给总统。开始罗斯福对这件事根本不感兴趣，萨克斯急中生智，向他讲了一个故事：法国皇帝拿破仑由美国前总统罗斯福于不重视用蒸汽机推动军舰这一新发明，使他丢失了横渡英吉利海峡征服英国的机会。这个故事触动了罗斯福。最后，罗斯福总统下了决心对这件事立即采取行动。

1939年10月美国政府成立了“铀顾问委员会”。1941年12月，美国总统罗斯福批准了为保密而取名为“曼哈顿工程”的计划，要赶在希特勒之前，全力以赴研制出原子弹。

1942年夏天，美国在英国和加拿大的合作下，全面开展了代号为“曼哈顿工程”的大规模开发原子能的计划。奥本海默博士被任命为洛斯·阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制工作。

实验室里的铀核裂变的链式反应与作为原子弹爆炸时的链式反应，其规模相差甚远，要研制原子弹就必须仔细研究大规模链式反应，这个任务落到费米的肩上。费米领导一班青年科学家解决了3个难题：①用石墨作为减速剂减慢中子速度，增加原子核俘获中子的机会，使大规模链式反应继续下去。②用金属镉“吞食”中子，阻止链式反应的进行。③将铀、石墨和镉三者做成“堆”，人工控制链式反应。1942年底在费米的领导下，在芝加哥大学建成了世界第一座核反应堆，1942年12月2日下午，首次实现了人工控制的核链式反应。此后，原子弹被加紧研制。

1945年初，科学家们在确知法西斯德国并没有研制原子弹后又联名上书，要求美国政府停止研制这种威力巨大的杀伤武器，但已无济于事了。同年7月16日，美国在新墨西哥州的阿拉莫告多成功试爆了第一颗原子弹。同年8月，美国在日本的广岛和长崎这两个城市先后投下2颗原子弹，给日本造成了极其严重的人员伤亡。

原子核裂变的这一发现具有划时代的意义，它为人类开辟了一种新的能源——核能（俗称原子能）。原子能的利用是21世纪最伟大的科学成就之一。但是，不幸的是，原子能的实际应用，最初却是以毁灭性的杀人武器的形式出现的，使本来可以为人类创造无限幸福的能源，竟成为威胁人类的最大危险。

2．第一颗原子弹引爆试验

原子弹如预想的那样，石破天惊的面世了。

1945年7月16日清晨5点30分整，美国在新墨西哥州的阿拉莫告多成功的试爆了第一颗实验用的原子弹。在按动电钮，准确起爆之前，每个人都无一例外地戴上防护眼镜伏卧在地面上。如果有谁想用肉眼直接观看爆炸引起的火焰，就可能丧失视力。因此，没有人敢去看原子弹爆炸火焰的第一道闪光，他们所看到的仅仅是从天空和小丘反射出来的炫目的白色光亮。但是，还是有人激动得甚至忘了戴面罩就那么下了汽车。只有两三秒钟的工夫，他们就都丧失了视力，终于未能看到3年来朝思暮想的这幅景象。人类第一颗原子弹爆炸时的情景

核试验结束后，科学家进行了这样的总结：在一个短暂的时间内，曾出现强烈的闪光，在半径20英里（1英里＝1.6093千米）的地区内，它相当于几个正午的太阳，随后形成一个巨大的火球，历时几秒钟。接着，这火球变成蘑菇形并上升至10000英尺（1英尺＝0.3048米）以上的高度才熄灭。爆炸发出的闪光在大约相距180英里的地方均能清楚地看见。爆炸声在同样距离的几个地方，但一般大约在距离100英里的地方，均可听见。爆炸形成了一个直径为1200英尺的巨坑，其中的植物全部被消灭……坑内的物质是极细的粉状灰尘……塔的钢材完全被气化掉了。离开1500英尺远的地方，原有一根直径4英寸、高16英尺的铁管埋在混凝土内，并坚固地用支索支撑住，但是它失踪了。“离爆炸地点0.5英里处有一重220吨的巨大钢质试验筒。筒底坚实地围筑了混凝土。环绕钢筒的有坚固钢塔，钢塔坚实地固定在混凝土基础上。此塔可被比作为典型的15或20层的摩天楼或货栈的结构中的钢架房屋的一跨。此塔的结构用了40吨钢材，塔高70英尺，像6层楼房一样高……这次爆炸的冲击波使钢塔从它的基础中拉开，把它扭歪、撕裂，并推倒在地。对此塔的作用表明，处在那样的距离，没有屏障的钢和石造的永久性建筑物将会被毁灭。

3．原子弹投向广岛、长崎

1945年8月6日8时15分，美军一架代号为“埃诺拉·盖伊”的B－29轰炸机飞临日本广岛市区上空，投下枚重4082千克的原子弹。这枚代号“小男孩”的铀弹，长3米，直径0.7米，内装60千克高浓铀，重约4吨，梯恩梯当量（TNT当量）为1.5万吨。炸弹在距地面580米的空中爆炸，在巨大冲击波的作用下，广岛市的建筑全部倒塌，全市24.5万人口中有11.8万人当日死亡。这是人类历史上第一次使用核武器。被炸后的广岛，尸横遍野。

8月9日，美军又出动代号为“伯克的汽车”的B－29轰炸机向日本的长崎投下了一枚重4500千克的原子弹。这枚代号“胖子”的原子弹为钚弹，长3.3米，宽1.5米，梯恩梯当量（TNT当量）22000吨，比轰炸广岛的原子弹威力大得多。在广岛，90000幢建筑中有60000幢毁于或严重损害于原子弹；而在长崎，52000幢建筑中只有14000幢被彻底摧毁，5400幢部分被毁。在长崎腾起的“蘑菇云”

被炸后的长崎市约60％的建筑物被毁，伤亡8.6万人，约占全市总人口的37％。在离爆炸中心半径1千米之内，人畜几乎立即死亡。在离爆炸中心半径1~2千米之间，一些人畜立即死于巨大的爆炸和高温，但大多数受重伤或只是表面受伤。房屋及其他建筑全部被毁，而且处处起火。树木都被连根拔起并因高温变为干枯。在离爆炸中心半径2~4千米之间，人畜受到窗玻璃碎片和其他碎片不同程度的伤害，许多人则被高温灼伤，住房和其他建筑半数被爆炸所毁。这是人类历史上第二次使用核武器，亦是目前为止最后一次使用核武器。

两次轰炸之后在不同时期所作的伤亡总数的统计有很大出入。日本当局的与美国调查小组的统计就有不同。其实，战后三四十年间，死于原子弹爆炸后遗症的受难者人数要远远高出于当时统计的这些数字。据日本有关部门统计，迄止2007年，广岛因受原子弹伤害而死亡的人数已达253008人。广岛原子弹爆炸遇难者纪念碑

不过，原子弹确实影响了第二次大战的进程。广岛、长崎被袭1周后，日本宣布无条件投降，9月2日签署投降书。第二次世界大战至此结束。

除上述两例外，核武器从未在实战中使用过。而投掷在广岛和长崎的原子弹也不能视为百分之百的实战使用，因为它包含着大量的实验因素。原因有4个：①欧洲战事已经基本结束，日本以成为强弩之末，战败已成为定局，原子弹使用与否不会对战局产生根本的影响。②美国对轰炸目标的选择是没有经过战争破坏的城市，以便对原子弹的破坏力进行准确的评估。③原子弹的类型选择为铀弹和钚弹各1枚，投掷在广岛的原子弹为铀弹，即枪法原子弹（压拢型原子弹）；投掷在长崎的原子弹为钚弹，即内爆法原子弹（压紧型原子弹）。④美国政府花费巨资进行的“曼哈顿工程计划”必须要让人们看到结果，结果就是“有视界爆炸”。因此，广岛和长崎成为了美国政府和军方的“巨大的实验”。

4．前苏联的原子弹研究

1941年6月，德国法西斯发动了侵苏战争。苏联卫国战争拉开了序幕。苏联得到情报，德国、英国和美国都在秘密研制原子弹。1943年3月，斯大林亲自提议任命科学家库尔恰托夫为莫斯科第二核武器研究室主任。苏联核弹研制正式上马。

库尔恰托夫受命之后，很快制定出一个研究原子弹的详细计划。然而，由于缺乏铀，连实验用的核反应堆都难以斯大林建立，库尔恰托夫和科学家们只好凭理论估算进行试验。由于战争，原子弹的研制经费和人员都经常短缺。但是，库尔恰托夫还是克服重重困难，成功地研制出一个用石墨作为减速剂的原子反应堆。他还发现，使用核反应堆产生的钚是为原子弹提供大量裂变材料最简单和最快捷的方法。

1946年12月24日，苏联建成了被称为“烧水器”的F-1核反应堆。库尔恰托夫取得了突破性的进展——拉链式核反应获得成功。同时使用了生产铀和钚两种核弹原料的技术，这是苏联原子弹研制区别于美国的最显著的特点之一。

随后，苏联情报部门又获得了来自美国“曼哈顿工程”的绝密情报——有关铀的采集提炼、原子弹的设计图纸、美国第一颗原子弹试验的各种数据。几十个研究所上千名科学家投入研制原子弹的各种工作。不久，苏联的第一颗原子弹造出来了。苏联第一颗原子弹，它与超级氢弹形状类似。

1949年9月23日早7点，期待已久的核试验终于开始了。原子弹被放在一个塔顶上引爆。惊雷震天，飓风呼啸，巨大的火球把荒无人烟的戈壁照得通亮，硕大的蘑菇云在升腾……一颗被命名为“南瓜”的原子弹诞生了。这颗原子弹，重5吨，有主体尾翼和自身的推力系统，活像个航空飞行器。

1953年8月，苏联第一颗氢弹引爆成功。库尔恰托夫却高兴不起来，他对身旁的同事说：“我看到了恶魔的脸。”1954年，世界上第一座核电站在奥布宁斯克启动，接下来又有核潜艇、原子能火箭发动机、原子能破冰船等等问世。

5．新中国第一颗原子弹

1964年10月16日15时，中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹，成功地实行了第一次核试验。中国第一颗原子弹成功爆炸。

中国核试验成功，是中国人民加强国防、保卫祖国的重大成就，也是中国人民对于保卫世界和平事业的重大贡献。10月16日中华人民共和国政府发表声明，10月17日国务院总理周恩来致电世界各国政府首脑，阐明中国对于核武器问题的立场：中国政府一贯主张全面禁止和彻底销毁核武器，中国进行核试验、发展核武器，是被迫而为的。中国掌握核武器，完全是为了防御，为了保卫中国人民免受核威胁。中国政府郑重宣布，在任何时候、任何情况下，中国都不会首先使用核武器。

6．原子弹的构造

三 核武器与核裁军

1．核武器有哪些种类

核武器，一般是指由核弹头及其投掷发射系统组成的武器系统。利用能自持进行的链式裂变反应或聚变反应瞬间释放巨大能量，产生爆炸作用，形成大规模杀伤破坏效应。

主要利用铀-235或钚-239等重原子核的链式裂变反应原理制成的核武器，叫做裂变武器或称原子弹。主要利用重氢（氘）、超重氢（氚）等轻原子核的热核聚变反应原理制成的武器称聚变武器，也称热核武器或氢弹。轻核发生自持热核反应的先决条件是高温、高密度，目前只能由原子弹爆炸来实现。这种专门设计的起爆核装置称为氢弹初级；产生热核反应放出能量和中子并诱发重核裂变反应放出更多能量的氢弹主体部分，称为氢弹次级。现有各种类型的核武器都是以裂变和聚变反应为基础的，有时这两种核反应还互相交错运用（如助爆型原子弹）。中子弹实际上也是一种增强核辐射性能的小型氢弹。

核武器爆炸时释放的能量，比只装化学炸药的常规武器要大得多。1000克铀全部裂变释放的能量相当于近2万吨梯恩梯（TNT）炸药的威力；1000克氘完全聚变释放的能量相当于6万吨梯恩梯炸药的威力。核武器释放的总能量通常用爆炸释放相同能量的梯恩梯炸药量来表示，称梯恩梯当量。核武器爆炸不仅释放的能量巨大，而且核反应过程非常迅速，微秒级的时间内即可完成。因此，在爆点周围不大的范围内形成极高的温度和压力，加热并压缩周围空气使之急速膨胀，产生高压冲击波。地面和空中核爆炸，还会在周围空气中形成火球，发出很强的光热辐射。核反应还产生各种射线和放射性物质碎器。向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用，造成电流的增长和消失过程，其结果又产生电磁脉冲。这些不同于化学炸药爆炸的特征，使核武器具备特有的强冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。

核武器按核装置原理结构的不同可分为原子弹、氢弹和特殊性能核武器；从投射系统不同，可分为核导弹、核航空炸弹、核炮弹、核深水炸弹、核鱼雷、核地雷等；从作战使用划分，可分为战略核武器和战术核武器等。核武器在不同介质中和不同高度（或深度）处爆炸时，其外观景象和杀伤破坏效应差别很大。通常分为空中、地（水）面、地（水）下和高空核爆炸等。核爆炸方式的选择要根据作战任务、目标性质和地形、气象条件等因素确定。

核武器的一个发展方向是通过设计调整性能，增强或削弱其中的某些杀伤破坏因素，研制成特殊性能核武器。如增强中子辐射为主要杀伤因素的中子弹；增强X射线辐射的增强X射线弹；减少剩余放射性、突出冲击波、光辐射作用的冲击波弹；增强核电磁脉冲效应的核电磁脉冲弹等。核武器的另一发展方向是核定向能武器。用核爆炸作驱动源，使所释放的能量（包括各种辐射）转换成某种定向能，在特定方向上对远距离的局部目标破坏效能大幅度提高。如核激励X射线激光器等。

2．第二代核武器——氢弹

氢弹是核武器的一种。它是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器，又称聚变弹、热核弹、热核武器。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。还可通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素，其战术技术性能比原子弹更好，用途也更广泛。

在历史上，轻核聚变反应的发现实际上比重核裂变现象还要早，但氢弹却比原子弹出现得晚。第一颗氢弹在1952年才试制成功，而可控制的聚变反应堆由于障碍重重，至今仍是科学技术上尚未解决的一个重大问题，原因是要实现轻核聚变反应的条件比实现重核裂变的条件要困难得多。

氢弹的研制是在第二次世界大战末期开始的。1942年，美国科学家在研制原子弹的过程中，推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃氢核，引起聚变反应，并想以此来制造一种威力比原子弹更大的超级弹。

美国在研制氢弹初期，经过了多次试验都没有成功。1950年以后美国又重新开始试验，并且利用电脑对热核反应的条件进行了大量计算之后，证明在钚弹爆炸时所产生的高温下，热核原料的氘和氚混合物确实有可能开始聚变反应。为了检查这些结论，他们曾经准备了少量的氘和氚装在钚弹内进行试验。结果测得这枚钚弹爆炸时产生的中子数大大增加，说明了其中的氘氚确实有一部分会进行热核反应。

于是在这次试验后，美国加紧了制造氢弹的工作，终于在1952年11月1日，在太平洋上进行了第一次氢弹试验，当时所用的氢弹65吨，体积十分庞大，没有实战价值，直到1954年找到了用固态的氘化锂替代液态的氘氚作为热核装料之后，才缩小了体积和减轻重量，制出了可用于实战的氢弹。从20世纪50年代初至60年代后期，美国、苏联、英国、中国和法国都相继研制成功氢弹，并装备部队。

随着科学技术的发展，氢弹与洲际弹道导弹的结合就为现代世界带来了以暴制暴的恐怖和平，使得人类进入按钮战争的时代，任何一个核子强国在战争中使用氢弹，也就是世界末日的来临。到目前为止，所有被制造出的氢弹当中，威力最大的是由前苏联所制造的，TNT当量为7000万吨的超大型氢弹，但因为过于笨重及庞大，难以搬运，欠缺实用性，因此早已退役。超级氢弹

目前已有1000万~1400万吨威力的核弹进行试爆，威力是不小，但是要缩小它的体积及重量就没有那么简单。其中最令人注目的理论是集中激光使氢弹引爆，这类炸弹可以变得很小，因为它不需原子弹的部分。新式氢弹的原理一直没有公开。1956年5月间美国宣称已能制造小型热核武器，其体积小到可以装在战机使用的导弹内，也可用飞机空投或放在无人飞机上，甚至使用在短、中、长程弹道导弹上。三相弹是目前装备的最多的一种氢弹，它的特点是威力和比威力都较大。在其三相弹的总威力中，裂变当量所占的份额相当高。一枚威力为几百万吨TNT当量的三相弹，裂变份额一般在50％左右，放射性污染较严重，所以有时也称之为“脏弹”。

氢弹的运载工具一般是导弹或飞机。为使武器系统具有良好的作战性能，要求氢弹自身的体积小、重量轻、威力大。因此，威力的大小是氢弹技术水平高低的重要标志。当基本结构相同时，氢弹的威力随其重量的增加而增加。20世纪60年代中期，大型氢弹的威力已达到了很高的水平。小型氢弹则经过了60年代和70年代的发展，威力也有较大幅度的提高。但一般认为，无论是大型氢弹还是小型氢弹，它们的威力似乎都已接近极限。在实战条件下，氢弹必须在核战争环境中具有生存能力和突防能力。因此，对氢弹进行抗核加固是一个重要的研究课题。此外，还必须采取措施，确保氢弹在贮存、运输和使用过程中的安全。氢弹相比原子弹的优缺点

3．第三代核武器——中子弹

在某些战争场合，需要使用具有特殊性能的武器。至20世纪80年代初，已研制出一些能增强或减弱某种杀伤破坏因素的特殊氢弹，如中子弹、减少剩余放射性武器等。

中子弹，亦称“加强辐射弹”，是一种在氢弹基础上发展起来的、以高能中子辐射为主要杀伤力、威力为千吨级的小型氢弹。它属于第三代核武器。特点是爆炸时核辐射效应大、穿透力强，释放的能量不高，冲击波、光辐射、热辐射和放射性污染比一般核武器小。

核武器都具有核辐射、冲击波和光辐射等杀伤力。中子弹主要利用爆炸瞬间发出的高能中子辐射来杀伤人员。中子流的贯穿能力极强，占总能量的80％左右。中子弹爆炸时，核爆炸射出的中子数比同威力的裂变弹大5~6倍，高能中子的比例也大幅增加，其核辐射效应特别大。如1枚千吨级TNT（黄色炸药）当量（核爆能量单位）的中子弹，它的核辐射对人类的瞬间杀伤半径可达800米。距爆心800米处的中子流可以穿透30厘米厚的钢板、重型坦克、建筑物、砖墙去杀伤人员，而坦克、建筑物和武器却能完好的保存下来，因此被称为“干净的武器”，爆炸区在一天之后，军队很快可以进入目标区作战。鉴于中子弹具有的这一特性，如果广泛使用中子武器，那么战后城市也许将不会像使用原子弹、氢弹那样成为一片废墟，但人员伤亡却会更大。中子弹的结构示意图

中子弹的杀伤原理是利用中子的强穿透力。由质子和中子组成的原子核，其质子带正电，中子不带电，中子从原子核里发射出来后，它不受外界电场的作用，穿透力极强。在杀伤半径范围内，中子可以穿透坦克的钢甲和钢筋水泥建筑物的厚壁，杀伤其中的人员。中子穿过人体时，使人体内的分子和原子变质或变成带电的离子，引起人体里的碳、氢、氮原子发生核反应，破坏细胞组织。理论上，遭到中子辐射污染的人员，短时间内即会感到恶心，暂时（或永久）失去活动能力，相继发生呕吐、发烧等症状，出现间歇性昏迷和肌肉失调现象，白血球明显下降，最后导致败血症，1周以内即行死去。严重者则会在几小时内死亡，惨状难以想象。

中子弹的内部构造大体分4个部分：弹体上部是一个微型原子弹，其中心是一个亚临界质量的钚-239，周围是高能炸药。下部中心是核聚变的心脏部分，称为储氚器，内部装有含氘氚的混合物。储氚器外围是聚苯乙烯，弹的外层用铍反射层包着，引爆时，炸药给中心钚球以巨大压力，使钚的密度剧烈增加。这时受压缩的钚球达到超临界而起爆，产生了强γ射线和X射线及超高压，强射线以光速传播，比原子弹爆炸的裂变碎片膨胀快100倍。当下部的高密度聚苯乙烯吸收了强γ射线和X射线后，便很快变成高能等离子体，使储氚器里的含氘氚混合物承受高温高压，引起氘和氚的聚变反应，放出大量高能中子。铍作为反射层，可以把瞬间发生的中子反射击回去，使它充分发挥作用。同时，一个高能中子打中铍核后，会产生一个以上的中子，称为铍的中子增殖效应。这种铍反射层能使中子弹体积大为缩小，因而可使中子弹做得很小。此外，中子弹的弹体还带有超小型原子弹点火起爆用的中子源、电子保险控制装置、弹道控制制导仪以及弹翼等。

中子弹被视为可以真正取胜的武器。一般由巡航导弹携载中子弹头，也可用重力炸弹或滑翔炸弹携载中子弹，由飞机投掷。

美国于1958年开始由塞姆·科恩着手于中子弹的研发。虽然总统肯尼迪曾反对过中子弹的发展，1962年由劳伦斯·利弗莫尔核武实验室首先发展成功，并在内华达州引爆。1977年6月底，美国首先研制成功中子弹，并将其装载飞机、导弹和炮弹，作为有效的战术核武器。在30千米以内和近距范围，可用155毫米、203毫米榴弹炮发射中子炮弹；在130千米范围内，可用“长矛”地地战术导弹携载中子弹头；在更远的距离上，则可使用“潘兴”Ⅱ式导弹和“战斧”。1978年美国总统卡特执政时期中子弹正式投入生产。1981年里根时期为了加强军备，下令生产长矛导弹的中子弹头和203毫米榴弹炮的中子炮弹。这些中子弹头威力从1000吨到24吨TNT当量可调，重约98千克，长109厘米，直径20.3厘米，是全球当量最小的中子弹，可通过榴弹炮发射，其实用性显而易见。至1983年，美国军方共生产带中子弹弹头的“长矛”战术导弹945枚。

法国和前苏联曾公开承认拥有中子弹的生产能力。中国从1999年7月15日宣称拥有中子弹。1999年8月16日，印度宣称能制造中子弹；次日，巴基斯坦也表示有能力研制中子弹。假如哪天中子弹真的投入到战场上，也代表着有限核战争的来临。但是直到目前为止，中子弹尚未在实战中使用。

4．中子弹与原子弹、氢弹的区别

中子弹是一种以高能中子为主要杀伤因素，相对减弱冲击波和光辐射效应的一种特殊的小当量战术核武器。由于中子弹和氢弹都是利用热核反应的原理，所以，我们可以把中子弹看成是一种经过改进的加强辐射的小型氢弹。中子弹的结构与氢弹相似，但它不是一种大规模的毁灭性武器，而是作为战术核武器设计的。虽然它对建筑物和军事设施的破坏很有限，但能够对人造成致命的伤害。一颗1000吨级的中子弹在120米高空爆炸，离爆心2千米范围内的人员即使不会当即死亡，也会在一天到一个月后死于放射病。原子弹、中子弹杀伤因素比较

与原子弹和氢弹等核武器相比，中子弹具有3个显著的特点：

1．早期核辐射效应强。原子弹和氢弹会毁灭对方，但对使用者本身也没有太多的实际利益。中子弹却能够有效地克服上述缺点，它爆炸时早期核辐射的能量则高达40％。这样，同样当量的原子弹与中子弹相比，中子弹对人员的杀伤半径要比原子弹大得多。

2．爆炸释放的能量低。当核武器的当量增大到一定程度时，冲击波、光辐射的破坏半径就必定会大于核辐射的杀伤半径。所以，中子弹的当量不可能做得太大。正是因为中子弹爆炸时释放的能量比较低，它只能是作为战术核武器应用于战场支援作战中。也正因为如此，中子弹这个神秘的杀手才有了更为广阔的用武之地，才比其他核武器具有更多的实用价值。

3．放射性沾染轻，持续时间短。由于引爆中子弹的裂变当量很小，所以，中子弹爆炸造成的放射性沾染也很轻。据报道，美国研制的中子炮弹和中子弹头，其聚变当量约占50％~75％，所以，中子弹爆炸时只有少量的放射性沉降物。通常情况下，经过数小时到一天，中子弹爆炸中心地区的放射性就已经大量消散，武装人员即可进入并占领遭受中子弹袭击的地区。强辐射可穿透厚钢板，中子弹仍具有放射性。凡是拥有氢弹技术的国家都有能力制造中子弹，这主要是因为中子弹在本质上仍是一种氢弹，中子弹的爆炸原理与氢弹的爆炸原理是相同的。

中子弹和氢弹一样是靠氘氚聚变反应产生大量高能中子的。这些中子除在穿出中子弹壳体的过程中损失部分能量外，很大一部分成为核辐射的杀伤因素。此外，由于中子弹用小型原子弹作为爆炸的“引信”，所以，中子弹在爆炸时还有一定的放射性。从这个意义上讲，中子弹也并不是那种“干净”的核武器。

5．衡量核武器的标准

一般来说，衡量核武器的标准有4个，那就是威力比、核原料利用率、干净化程度和突防能力。

所谓威力比是指每千克重的核子弹所产生的爆炸威力，即爆炸的总当量与核武器重量之比。它是核武器的一项极其重要的指标。从威力比的大小，可以看出核武器小型化的水平。目前俄美两国在百万吨当量以上的核子武器，它的威力比水平为每千克弹头达到2500～5000吨当量。20万～100万吨当量的核武器威力比水平为每千克弹头2200～2500吨当量。跟威力比有关的另一个问题是分导式多弹头导弹的大力发展。由于多弹头增加了额外的结构重量，所以威力比会相对应地降低。弹头数目越多，下降的幅度越大。例如美国的义勇兵-2型和海神潜射导弹的核弹头，它们的威力比大约是每千克600吨TNT当量。目前俄美两国都在加紧进行地下核子试验，改进核弹头的质量，使其不断地小型化，进一步提高威力比。但不管怎么改进，如果还是采用铀-235和铀-239作为核原料的话，那么它的威力比就不能像过去那样大幅度的几十倍甚至几百万倍的增长。

核原料的利用率反映了核武器的技术水平。核原料的利用率是指在核爆的时候，核弹中有多少核原料产生裂变链式反应而释放了能量，有多少核原料没有产生裂变链式反应而被核弹中的炸药给炸散了。随着科学技术的发展，核原料的利用率有了很大的提高，有的已经提高到25％以上，比以前提高了5倍左右。近年来在新型的核武器中，核原料利用率又有新的提高，但是要达到100％几乎是不可能的

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