綠色核能基本知識

1.核科學發展重要事件

1895年，倫琴發現X射線

1896年，貝可勒爾發現天然放射性現象

1897年，湯姆遜實驗發現電子;盧瑟福和湯姆遜發現放射性的產物α射線和β射線

1898年，居里夫婦先后發現放射性元素釙和鐳

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論

1911年，盧瑟福提出核原子結構模型

1916年，愛因斯坦提出廣義相對論

1919年，盧瑟福實現人工核反應

1923年，康普頓發現康普頓效應

1932年，查德威克發現中子

1934年，約里奧-居里夫婦實現核反應生產人工放射性核素

1938年，哈恩和斯特拉斯曼發現核裂變現象

1942年，費米啟動世界第一座核反應堆

2.什么是衰變

放射性核素是不穩定的，原子核會自發釋放出粒子，并變成另一種元素，這種現象就是衰變。這些放射出的粒子統稱輻射。由不穩定原子核發射出來的輻射可以是α粒子、β粒子、γ射線或中子。

3.質能轉換理論

1905年，愛因斯坦在狹義相對論的研究基礎上，導出了著名的“質能轉換公式：E=mc2。他認為物質和能量是同一種事物的兩種不同形式，物質可以轉變為能量，能量也可以轉變為物質。當一定量的物質消失時，就會產生一定量的能量。其定量關系是：產生的能量E等于消失的質量m乘以光速c的平方。由于光速很大，因此很少量的物質也能產生極大的能量。如果1克物質轉化為能量，這些能量可以供給一只100瓦的燈泡點亮35000年。

4.核裂變

核裂變是指由重的原子核分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。原子彈或核能發電廠的能量來源就是核裂變。裂變只有一些質量非常大的原子核像鈾、釷和钚等才能發生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發生核裂變……，使過程持續進行下去，這種過程稱作鏈式反應。原子核在發生核裂變時，釋放出巨大的能量，這些能量被稱為原子能。1千克鈾-238的全部原子核的裂變將產生20,000兆瓦小時的能量，與燃燒至少2000噸煤釋放的能量一樣多，相當于一個20兆瓦的發電站運轉1,000小時。

5.核聚變

核聚變是由兩個輕的原子核結合成一個較重的原子核的核反應過程。聚變反應會釋放出巨大的能量。就單位質量而言，聚變釋放的能量要比裂變釋放的能量大3～4倍。核聚變反應是在高溫、高密度與高能量約束狀態下的等離子體中實現的。包括太陽在內的大多數星體釋放的能量便是來源于高溫氫等離子體中的高能氫核聚合成氦核(粒子)的核聚變反應。核聚變能具有能量密度高、原料儲量豐富、安全環保清潔等特點，是人類未來理想的主力能源。核聚變燃料之一的氘廣泛地分布在海水中，1升海水中含的氘全部聚變反應所產生的能量與300升汽油完全燃燒所釋放的能量相當，海水中氘的儲量可供人類使用幾十億年。核聚變能是目前認識到的最終解決人類能源問題的最重要途徑之一，研究核聚變、開發核聚變能具有極其重大的科學意義和戰略意義。但實現聚變條件苛刻，目前聚變能的應用尚處于研發之中。

6.核反應堆

又稱為原子能反應堆，是能維持可控自持鏈式核裂變反應，以實現核能利用的裝置。人類第一臺核反應堆由美國籍意大利著名物理學家恩利克·費米領導的小組于1942年12月在美國芝加哥大學建成，命名為芝加哥一號堆(Chicago Pile-1)。該反應堆是采用鈾裂變鏈式反應，開啟了人類原子能時代，芝加哥大學也因此成為人類“原子能誕生地”。根據用途，核反應堆可以分為以下幾種類型：

(1)研究堆。將中子束用于實驗或利用中子束來進行基礎科學和應用科學的研究，包括研究堆、材料實驗堆等。

(2)生產堆。利用核裂變放出來的中子來生產核燃料、核裂變物質，或者進行工業規模的輻照的反應堆。

(3)動力堆。利用核裂變釋放的能量來產生動力。主要包括用于發電的核反應堆，提供取暖、海水淡化等用的熱量的核反應堆，用于推進船舶、飛機、火箭等的核反應堆等。

7.粒子加速器

利用電場和磁場的結合，操縱粒子(比如質子)沿著一定的軌道直線或環運動，同時把它們提升到越來越高的能量水平，讓這些粒子碰撞，并產生大量碰撞產物。根據愛因斯坦的質能轉換公式，能量越高，產生大質量粒子的可能性越大。科學家通過設置在對撞點的探測器，尋找這些轉瞬即逝的新粒子，從而使一些基礎科學的推論得到驗證，是核物理研究的重要工具。加速器包括直線加速器、回旋加速器、同步加速器等多種形式。加速器能夠產生多種射線，射線輻射技術在工程、醫藥、生物學等方面有著廣泛的應用，在輻射加工、無損檢測、輻照育種、殺蟲滅菌、醫用診療等多個領域發揮了作用。

8.中國科學家的貢獻

(1)吳有訓與康普頓效應。吳有訓是中國著名物理學家、教育家，清華大學物理系創建者之一。1923年，吳有訓成為阿瑟·康普頓的研究生。同年，康普頓發現“康普頓效應”。吳有訓改進了實驗方法，證明了康普頓效應的普遍性。1927年，康普頓榮獲諾貝爾物理學獎，康普頓晚年曾對楊振寧說，他一生最得意的學生就是吳有訓。

(2)趙忠堯與正負電子湮滅。趙忠堯是中國著名核物理學家，中國核物理研究的開拓者。1927年，趙忠堯赴美國加州理工學院留學，師從密立根教授。他在研究“硬γ射線通過物質時的吸收系數”過程中，測量到反常吸收和特殊輻射現象。1932年，美國學者安德遜以發現正電子獲得諾貝爾獎，安德遜談到，正是趙忠堯的發現引起了他的極大興趣，激發了他當時研究的計劃。

(3)王淦昌與“反西格瑪負超子”。王淦昌是中國實驗原子核物理、宇宙射線及基本粒子物理研究的主要奠基人和開拓者，“兩彈一星”元勛，1930年赴德國留學，師從莉澤·邁特納。1941年王淦昌在美國《物理評論》上發表論文，提出驗證中微子存在的實驗方案。1959年王淦昌發現“反西格瑪負超子”，蘇聯《自然》雜志評價：“實驗發現反西格瑪負超子是在微觀世界的圖像上消滅了一個空白點。”

(4)錢三強與鈾三裂變。錢三強是中國著名核物理學家，中國原子能科學事業的創始人，“兩彈一星”元勛。1937年，錢三強赴法國留學，導師是約里奧-居里夫婦。錢三強于1946年發現了“鈾的三裂變現象”，1947年發表《論鈾的三分裂的機制》，對“三裂變”進行了詳細論證，引起了當時世界核物理界的高度重視。