02小说网

第三课 麦吉尔大学名人榜欧内斯特卢瑟福（第3页）

同等质量的轻元素聚变产生的能量比重元素裂变放出的能量大得多，而产生的辐射也少得多。对环境保护的考虑也是人们努力发展核聚变技术的原因之一，虽然它还及不上对能源的需求。化石能源的逐渐耗竭已经是人所共知的事实，而风能、太阳能等可再生能源在目前来看，也无法完全满足人们对能源的渴求。核聚变发电是能源的明日之星。

宇宙中最轻的元素是氢，它的原子核只有一个质子。它的两种同位素氘和氚，虽然也都只有一个质子，但是却分别拥有一个和两个中子。核聚变主要依靠的就是这两种同位素。

在某些情况下，当两颗氘原子核结合时，将会变成一个氘原子核，放出一个质子和3。03兆电子伏特的能量；另一些情况下，将会变成有两个质子和一个中子的氦3原子核，放出一个中子和2。45兆电子伏特的能量。而氘原子核和氚原子核结合，将会产生一个氦4原子核，放出一个中子以及14。06兆电子伏特的能量，而氘原子核和氦3原子核结合，会成为一个氦4原子核，放出一个质子和14。67兆电子伏特的能量。我们现在谈到的核聚变，就是指这四种反应。

核聚变的原材料很容易找——地球上氘的含量并不算少，每一万个氢原子中就有一个是氘原子。在最好的情况下，每升海水中的氘聚变能够放出的能量，相当于燃烧300升汽油；而一个百万千瓦的核聚变电厂，每年只需要600千克原料，但一个同样规模的火电厂，每年将需要210万吨燃料煤。

虽然氘在地球上并不存在，但是我们可以通过用中子轰击锂元素的方法来制造它。氦3是目前最理想的核聚变原料，虽然在地球上也找不到，但是在我们举目可及之处却大量存在——在月球、土星和火星上，氦3的含量足够人们随心所欲地挥霍数十万年。

现在的我们，就像是站在四十大盗藏宝洞之前的阿里巴巴，唯一所缺乏的，就是一句开门的咒语。幸好，我们已经快要猜到那句咒语，一段传奇，即将在眼前展开。

璀璨的双星

我们知道，在地球上看到的物质，绝大部分以三种状态存在：固态、液态和气态。这三种状态会因为温度的不同而相互转化，当气体的温度再升高时，将会转变为一种新的物质形态：等离子态。在宇宙中，等离子态是物质最常见的形态，其质量大约占了整个宇宙可见物质质量的99%以上。在等离子态中，原子将被打破，原子核和电子将会彼此分离。只有在这种状

态下，核聚变才会发生。在高温高压下，太阳的核心数十亿年来一直在发生这样的聚变反应，将轻元素转化为较重的元素，将大量的质量变成光和热洒向宇宙空间。

但是，太阳中心的温度高达1500万℃，压力巨大得难以想象。在这种情况下，原子核的运动能力才会够强，强到足以冲破彼此之间库仑力的巨大阻碍。而如果要控制核聚变能量缓缓地释放，压力并不能太高，以免同时进行的聚变反应过多而失控。压力降低，则要求温度升高。受控核聚变的温度要求高得惊人，往往需要上亿摄氏度高温才行。很明显，在地球上并没有任何固体物质能够经受这样的高温。如何获得这样的温度以及如何在这样的高温下控制原子核，是受控核聚变需要解决的两个主要问题。

上亿摄氏度的高温，没有办法通过常规的方式获得。现在人们使用电磁波来对等离子体加热，例如使用微波或者激光；而对高温等离子体的控制，也有两种常用方法：磁约束或者惯性约束——等离子体中那些带正电的原子核和带负电的电子，可以容易地通过电磁场分离开来。也正是因为这样的特性，人们开始尝试使用电磁场来束缚这些高温的等离子体，将它控制在我们所希望的区域之内。

1938年，美国首先提出了使用磁场束缚高温等离子体的思路，但是在这方面首先成功的却是苏联。1954年，莫斯科的库尔恰托夫研究所制成了

第一个这类装置，命名为托卡马克（Tokamak）。这是个生造的词，来自环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka））四个词的拼合。它的主体是一个甜甜圈形状的真空室，外面布满了线圈用以产生磁场。当线圈通电后，将会在真空室内产生强烈的磁场，从而束缚住带正电的高温等离子体，并且与外界尽可能地绝热。在1958年的“和平利用原子能”会议上公开托卡马克装置后，各国纷纷仿效，建立起自己的托卡马克装置。

1968年，苏联的T-3托克马克获得了远远超过其他设备的性能，更进一步奠定了这种装置广泛使用的基础。从20世纪70年代开始，在国际联合开发核聚变的协议下，这个领域理论和实践发展的速度，只有微处理器行业可以与之相比。现在托卡马克装置的理论已经较为成熟，更大规模的实验也正在酝酿当中。

托卡马克采用微波加热，而采用激光加热的核聚变装置大都属于“惯性约束装置”范畴。2009年5月29日，美国国家点火装置（NIF，NationalIgnitionFacil-ity）正式落成，这是世界上最大的点火装置，能够将192束激光聚焦于一点，瞬间放出两兆焦耳的能量。这些激光的靶点，则是一个直径只有两毫米的金属空心小球，其中装满了氢的同位素。

这个小球是人类能够制造出来的形状最完美的球体之一。当192束激光同时击中这个小球时，金属外壳将会瞬间蒸发，产生的反作用力将填充的氢同位素瞬间加温加压到如同在太阳核心的程度，产生一个持续了十亿分之五秒的小太阳，同时放出多得难以想象的能量。这是另一种产生受控核聚变的方式，虽然目前看起来还不太成熟——如果要产生持续的能量供应，需要每秒钟引爆十颗左右的小球，但是目前每天只能引爆一颗。但是这不用担心，技术发展总比我们想象中要来得快得多。

终极实验

在法国南部那个风景秀丽的旅游区卡达拉舍（Cadarache），ITER正在建设当中。这个全称为“国际热核聚变实验反应堆”（IionalTher-moalReactor）的装置，到目前为止世界上耗资最高的科研项目之一。2006年，欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方合作签订了ITER实施协定，试图以12年的时间和上百亿美元的投入，将利用无尽的核聚变能源的梦想变成现实。

ITER的核心是历史上最大的托卡马克装置，由超过1万吨的特殊合金制造成的超导线圈来提供磁场约束，以此来进行氘氚聚变反应。聚变反应释放出的不带电的中子，将携带着恐怖的高能量离开磁场，将能量传递给厚重的钢板和其中紧密排列的水管，而这些加热过的水，将驱动发电机发电。

在官方目标中，ITER是要“证明聚变能源的科学和工程上的可行性”。这个目标有几层含义，其中最重要的是要产生的能量比输入的能量更多。目前世界上最大的托卡马克装置是欧洲的JET，但是即使是它，产出与输入的能量之比也只有0。65，输出小于输入。ITER的目标是输出能量达到输入能量的10倍，或者在稳定能量输出的情况下，输出比输入高出4倍。

建成后的ITER将会容纳840立方米的高温等离子气体，携带着15兆安培的电流，在5。3特斯拉的强磁场中进行聚变反应，功率达到500兆瓦，稳定反应的持续时间多于6分钟。这些数据，也许正能弥补我们和大规模核聚变发电之间那缺失的一环。

也许在未来的20年内，我们可以看到核聚变发电的曙光。在更远一点的时间，我们将会获得可以真正有价值的核聚变电站。这种能源比我们现在所使用的大多数能源都要清洁得多，成本将会低到接近于零的程度，而我们将会获得前所未有的富足的能源。再加上现在已经很有希望的远程供电技术，也许我们将会将电线这种东西送进博物馆。

重大贡献

1。卢瑟福关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域——原子物理学做了开创性的工作。

2。1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。

3。1919年质子的发现，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。

4。他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳地论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。

5。人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

麦吉尔小百科

麦吉尔大学授课语言为英语，地处讲英法双语的蒙特利尔市区的中心，不但拥有大量的国际学生，而且很多世界上的知名学者也慕名而来。当年著名物理学家卢瑟福曾在麦吉尔任教担任物理系主任，进行了大量研究发现放射性衰变粒子，后在曼彻斯特大学发现了原子的结构。麦吉尔大学有多位诺贝尔奖获得者以及多名如卢瑟福这样在麦吉尔大学任教和做过研究的诺贝尔奖得主。麦吉尔大学的国际学生比例为20%，在加拿大大学中居首位，其国际学生来自150多个国家。