第七章 現代煉金術
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塊射出一個中子時，我們僅僅是在統計意義上說的；在某些情況下，一個碎塊可能抛射出兩三個中子，而在另一些情況下則可能一個也沒有。
當然，從一個裂變碎塊中射出的中子的平均數依賴于它的振動強度，而這個強度又依賴于最初的裂變過程所釋放的總能量。
正如我們所知，聚變中釋放的能量随着原子核的重量而增加，因此可以預計，每一個裂變碎塊所産生的平均中子數也随着元素周期表而增加。
例如，金核的裂變（尚未用實驗方法實現，因為所需的起始能量太高）所産生的中子數可能遠少于每個碎塊一個，鈾核的裂變為平均每塊一個（每次裂變産生兩個左右的中子），更重元素（如钚）的裂變所産生的中子數則應多于每塊一個。
假定有100個中子進入了某種物質，為了滿足中子的連續增殖條件，下一代中子顯然應當多于100個。
能否滿足這種條件，取決于中子使這種原子核發生裂變的效率有多大，以及在一次裂變中産生的新中子平均有多少。
要知道，雖然在産生裂變方面中子比帶電粒子效率高得多，但也并非百分之百。
事實上，進入原子核的高速中子總有可能隻把一部分動能傳給原子核，自己帶走其餘的動能。
在這種情況下，動能将會消散在幾個原子核上，沒有一個得到足夠的能量發生裂變。
根據原子核結構的一般理論可以斷言，中子産生裂變的效率随着裂變元素原子量的增加而增加，對于周期表末尾的那些元素來說則接近百分之百。
現在我們給出兩個有具體數值的例子，一個有利于中子增殖，一個不利于中子增殖：（1）假定快中子引起某元素裂變的效率為35%，每次裂變平均産生中子1.6個。
55在這種情況下，100個中子會引起35次裂變，産生35×1.6＝56個下一代中子。
顯然，中子數每次都會迅速減少，每一代的數目都隻是之前的一半左右。
（2）假定有一種更重的元素，中子引起它裂變的效率升至65%，每次裂變産生的平均中子數為2.2。
在這種情況下，100個中子會引起65次裂變，産生65×2.2＝143個下一代中子。
每産生新的一代，中子數就會增加50%左右，這樣很快就會有足夠多的中子來轟擊和打碎樣品中每一個原子核。
我們這裡讨論的是漸進性分支鍊式反應，能發生這種反應的物質被稱為裂變物質。
通過對發生漸進性分支鍊式反應的必要條件做出認真的實驗和理論研究，我們可以得出結論：在各種各樣的天然原子核當中，隻有一種原子核有可能發生這種反應。
這就是鈾的著名輕同位素鈾235，唯一的天然裂變物質。
然而，鈾235在自然之中并非以純淨的形式存在，而總是與較重的非裂變同位素鈾238混雜在一起（鈾235占0.7%，鈾238占99.3%），這有礙于引發天然鈾的漸進式分支鍊式反應，就像水分有礙于濕木柴的燃燒一樣。
不過，正因為有這種不活潑的同位素的混雜，才使得很容易裂變的鈾235仍然存在于自然界中，否則它們早就被某一次鍊式反應徹底摧毀了。
于是，要想使用鈾235的能量，需要把鈾235的原子核與更重的鈾238原子核分開，或者設法不讓更重的鈾238的幹擾作用奏效。
對釋放原子能的研究其實都在遵循這兩種方法，而且都取得了成功。
由于本書不打算涉及太多這種技術性問題，所以這裡隻是簡要讨論一下。
56 圖74 一個離群的中子在一塊球形裂變物質中引起的鍊式反應。
雖然有許多中子從表面跑掉了，但每一代中子的數目仍在增加，并最終引起爆炸 直接将鈾的兩種同位素分開是一個非常困難的技術問題，因為它們化學性質相同，通常的化工方法是做不到的。
這兩種原子隻在質量上相差1.3%，這便啟發我們用原子質量起主導作用的過程來實現分離，比如擴散、離心、離子束在電磁場中的偏轉等。
圖75a和75b給出了兩種主要分離方法的示意圖，并附有簡要說明。
圖75 a.用擴散法來分離同位素。
包含兩種同位素的氣體被泵入左室，并透過中央隔闆擴散到右室。
由于輕分子擴散得更快，所以右室的氣體會富含鈾235。
b.用磁場法來分離同位素。
原子束在強磁場中穿過，包含較輕的鈾同位素的分子偏轉得多一些。
由于用寬縫才能有較高的強度，所以鈾235和鈾238兩束粒子會有部分重疊，我們同樣隻得到部分分離。
所有這些方法都有一個缺點：由于這兩種鈾同位素的質量差異不大，所以分離過程不可能一步完成，而是需要重複多次，才能得到富含輕同位素的産物。
如果重複次數足夠多，便可得到較純的鈾235樣品。
更巧妙的方法是用所謂的減速劑人為地減少天然鈾中重同位素的幹擾作用，從而實現天然鈾的鍊式反應。
要想理解這種方法，我們應當記得鈾的重同位素的副作用本質上在于吸收了鈾235裂變過程中産生的大部分中子，從而使漸進性鍊式反應無法進行。
因此，如果能使中子在遇到鈾235的原子核引起裂變之前不緻被鈾238的原子核俘獲，問題便得到了解決。
不過，鈾238核大約是鈾235核的140倍，不讓鈾238得到大部分中子，初看起來似乎是不可能的。
但在這個問題上，一個事實幫了我們的忙：鈾的兩種同位素&ldquo俘獲中子的能力&rdquo依中子運動速度的不同而不同。
對于裂變的原子核産生的快中子來說，兩種同位素的俘獲能力是相同的，因此每有1個中子被鈾235俘獲，就有140個中子被鈾238俘獲。
對于中等速度的中子來說，鈾238的俘獲能力強于鈾235。
但要點是，對于運動很慢的中子來說，鈾235比鈾238的俘獲能力強得多。
因此，如果能使裂變産生的中子速度慢下來，使之在遇到下一個鈾原子核（鈾238或鈾235）之前大大減速，那麼鈾235核雖然數量較少，卻比鈾238核更有機會俘獲中子。
将大量天然鈾的小顆粒散布于某種能使中子減速、本身又不會俘獲大量中子的材料（減速劑）中，便可得到減速裝置。
最好的減速劑材料是重水、碳和铍鹽。
圖76顯示了這樣一個散布在減速劑各處的鈾顆粒&ldquo堆&rdquo是如何實際工作的。
57 圖76 這張圖看似生物細胞圖，其實顯示的是嵌在減速劑（小原子）當中的一團團鈾原子（大原子）。
左面的一團鈾原子中有一個發生了裂變，産生的兩個中子進入了減速劑，因與原子核發生一系列碰撞而逐漸變慢。
到達另一團鈾原子時，這些中子的速度已經大大降低，從而被鈾235的原子核所俘獲，因為鈾235俘獲慢中子的效率遠遠高于鈾238。
如上所述，隻有輕同位素鈾235（隻占天然鈾的0.7%）這種裂變元素才能維持漸進性鍊式反應，從而釋放出大量核能。
但這并不意味着我們不能用人工方法制造出與鈾235性質相同而通常并不存在于自然界的其他元素來。
事實上，利用某種裂變元素的漸進性鍊式反應中大量産生的中子，可以把通常不可裂變的原子核變成可裂變的原子核。
這種類型的第一個例子便是上述由天然鈾和減速劑混合而成的&ldquo鈾堆&rdquo。
我們已經看到，使用減速劑可以使鈾238俘獲中子的能力減小到讓鈾235核之間發生鍊式反應。
不過，仍然有一些中子會被鈾238俘獲。
那麼這時會發生什麼情況呢？ 當然，鈾238俘獲中子之後立刻會變成更重的同位素鈾239。
但這個新核的壽命不長，它會陸續射出兩個電子，變成原子序數為94的一種新化學元素的原子核。
這種新的人造素被稱為钚（Pu-239），它比鈾235更容易裂變。
如果把鈾238替換成另一種天然放射性元素钍（Th-232），那麼它在俘獲中子并随後射出兩個電子之後會變成另一種人造裂變元素鈾233。
于是，從天然裂變元素鈾235開始循環進行鍊式反應，原則上可将所有天然鈾和钍變成裂變物質，成為濃縮的核能來源。
最後，讓我們粗略估算一下人類總共有多少能量可以用于未來的和平發展或自我毀滅的軍事戰争。
根據計算，已知鈾礦中的鈾235總量如果完全轉化為核能，足以讓全世界的工業使用數年；但如果考慮到鈾238可以轉變成钚，所估時間會延長到幾個世紀。
再考慮到儲量是鈾四倍的钍（轉變成鈾233），則至少可以用一兩千年，這足以打消關于&ldquo原子能未來短缺&rdquo的任何憂慮了。
即使用盡了所有這些核能資源，而且發現不了新的鈾礦和钍礦，将來的人也能從普通岩石中獲得核能。
事實上，和所有其他化學元素一樣，幾乎任何普通物質都含有少量的鈾和钍。
例如，每噸花崗岩含4克鈾、12克钍。
乍看起來，這似乎很少，但我們再往下算一算。
我們知道，1公斤裂變物質所蘊藏的核能相當于2萬噸TNT炸藥爆炸時或2萬噸汽油燃燒時所釋放的能量。
因此，1噸花崗岩包含的這16克鈾和钍如果變成裂變物質，會相當于320噸的普通燃料。
這足以補償複雜的分離過程所帶來的各種麻煩了，特别是當儲量豐富的礦藏面臨枯竭的時候。
既已攻克鈾等重元素在核裂變過程中的能量釋放問題，物理學家們又處理了被稱為核聚變的相反過程，即兩個輕元素的原子核聚合成一個重原子核，同時釋放出巨大的能量。
在第十一章我們會看到，太陽的能量便來自這樣一個聚變過程，普通的氫核因内部劇烈的熱碰撞而結合成較重的氦核。
為了複制這種所謂的熱核反應以供人類使用，引發聚變的最佳材料是重氫或氘。
普通的水中有少量的氘。
氘核包含一個質子和一個中子。
兩個氘核相撞時會發生以下兩種反應中的一個： 2氘核&rarr2He3+中子； 2氘核&rarr1H3+質子。
要想實現這種嬗變，氘必須處于幾億度的高溫之下。
第一個成功實現核聚變的裝置是氫彈，它用原子彈的爆炸來觸發氘的反應。
然而，一個更為複雜的問題是如何實現受控熱核反應，以為和平目的提供大量能量。
要想克服主要困難，即對極熱氣體進行約束，可以用強磁場把氘核約束在中心熱區之内，阻止其接觸容器壁（否則容器會熔化和蒸發！）。
當然，從一個裂變碎塊中射出的中子的平均數依賴于它的振動強度，而這個強度又依賴于最初的裂變過程所釋放的總能量。
正如我們所知，聚變中釋放的能量随着原子核的重量而增加，因此可以預計，每一個裂變碎塊所産生的平均中子數也随着元素周期表而增加。
例如，金核的裂變（尚未用實驗方法實現，因為所需的起始能量太高）所産生的中子數可能遠少于每個碎塊一個，鈾核的裂變為平均每塊一個（每次裂變産生兩個左右的中子），更重元素（如钚）的裂變所産生的中子數則應多于每塊一個。
假定有100個中子進入了某種物質，為了滿足中子的連續增殖條件，下一代中子顯然應當多于100個。
能否滿足這種條件，取決于中子使這種原子核發生裂變的效率有多大，以及在一次裂變中産生的新中子平均有多少。
要知道，雖然在産生裂變方面中子比帶電粒子效率高得多，但也并非百分之百。
事實上，進入原子核的高速中子總有可能隻把一部分動能傳給原子核，自己帶走其餘的動能。
在這種情況下，動能将會消散在幾個原子核上，沒有一個得到足夠的能量發生裂變。
根據原子核結構的一般理論可以斷言，中子産生裂變的效率随着裂變元素原子量的增加而增加，對于周期表末尾的那些元素來說則接近百分之百。
現在我們給出兩個有具體數值的例子，一個有利于中子增殖，一個不利于中子增殖：（1）假定快中子引起某元素裂變的效率為35%，每次裂變平均産生中子1.6個。
55在這種情況下，100個中子會引起35次裂變，産生35×1.6＝56個下一代中子。
顯然，中子數每次都會迅速減少，每一代的數目都隻是之前的一半左右。
（2）假定有一種更重的元素，中子引起它裂變的效率升至65%，每次裂變産生的平均中子數為2.2。
在這種情況下，100個中子會引起65次裂變，産生65×2.2＝143個下一代中子。
每産生新的一代，中子數就會增加50%左右，這樣很快就會有足夠多的中子來轟擊和打碎樣品中每一個原子核。
我們這裡讨論的是漸進性分支鍊式反應，能發生這種反應的物質被稱為裂變物質。
通過對發生漸進性分支鍊式反應的必要條件做出認真的實驗和理論研究，我們可以得出結論：在各種各樣的天然原子核當中，隻有一種原子核有可能發生這種反應。
這就是鈾的著名輕同位素鈾235，唯一的天然裂變物質。
然而，鈾235在自然之中并非以純淨的形式存在，而總是與較重的非裂變同位素鈾238混雜在一起（鈾235占0.7%，鈾238占99.3%），這有礙于引發天然鈾的漸進式分支鍊式反應，就像水分有礙于濕木柴的燃燒一樣。
不過，正因為有這種不活潑的同位素的混雜，才使得很容易裂變的鈾235仍然存在于自然界中，否則它們早就被某一次鍊式反應徹底摧毀了。
于是，要想使用鈾235的能量，需要把鈾235的原子核與更重的鈾238原子核分開，或者設法不讓更重的鈾238的幹擾作用奏效。
對釋放原子能的研究其實都在遵循這兩種方法，而且都取得了成功。
由于本書不打算涉及太多這種技術性問題，所以這裡隻是簡要讨論一下。
56 圖74 一個離群的中子在一塊球形裂變物質中引起的鍊式反應。
雖然有許多中子從表面跑掉了，但每一代中子的數目仍在增加，并最終引起爆炸 直接将鈾的兩種同位素分開是一個非常困難的技術問題，因為它們化學性質相同，通常的化工方法是做不到的。
這兩種原子隻在質量上相差1.3%，這便啟發我們用原子質量起主導作用的過程來實現分離，比如擴散、離心、離子束在電磁場中的偏轉等。
圖75a和75b給出了兩種主要分離方法的示意圖，并附有簡要說明。
圖75 a.用擴散法來分離同位素。
包含兩種同位素的氣體被泵入左室，并透過中央隔闆擴散到右室。
由于輕分子擴散得更快，所以右室的氣體會富含鈾235。
b.用磁場法來分離同位素。
原子束在強磁場中穿過，包含較輕的鈾同位素的分子偏轉得多一些。
由于用寬縫才能有較高的強度，所以鈾235和鈾238兩束粒子會有部分重疊，我們同樣隻得到部分分離。
所有這些方法都有一個缺點：由于這兩種鈾同位素的質量差異不大，所以分離過程不可能一步完成，而是需要重複多次，才能得到富含輕同位素的産物。
如果重複次數足夠多，便可得到較純的鈾235樣品。
更巧妙的方法是用所謂的減速劑人為地減少天然鈾中重同位素的幹擾作用，從而實現天然鈾的鍊式反應。
要想理解這種方法，我們應當記得鈾的重同位素的副作用本質上在于吸收了鈾235裂變過程中産生的大部分中子，從而使漸進性鍊式反應無法進行。
因此，如果能使中子在遇到鈾235的原子核引起裂變之前不緻被鈾238的原子核俘獲，問題便得到了解決。
不過，鈾238核大約是鈾235核的140倍，不讓鈾238得到大部分中子，初看起來似乎是不可能的。
但在這個問題上，一個事實幫了我們的忙：鈾的兩種同位素&ldquo俘獲中子的能力&rdquo依中子運動速度的不同而不同。
對于裂變的原子核産生的快中子來說，兩種同位素的俘獲能力是相同的，因此每有1個中子被鈾235俘獲，就有140個中子被鈾238俘獲。
對于中等速度的中子來說，鈾238的俘獲能力強于鈾235。
但要點是，對于運動很慢的中子來說，鈾235比鈾238的俘獲能力強得多。
因此，如果能使裂變産生的中子速度慢下來，使之在遇到下一個鈾原子核（鈾238或鈾235）之前大大減速，那麼鈾235核雖然數量較少，卻比鈾238核更有機會俘獲中子。
将大量天然鈾的小顆粒散布于某種能使中子減速、本身又不會俘獲大量中子的材料（減速劑）中，便可得到減速裝置。
最好的減速劑材料是重水、碳和铍鹽。
圖76顯示了這樣一個散布在減速劑各處的鈾顆粒&ldquo堆&rdquo是如何實際工作的。
57 圖76 這張圖看似生物細胞圖，其實顯示的是嵌在減速劑（小原子）當中的一團團鈾原子（大原子）。
左面的一團鈾原子中有一個發生了裂變，産生的兩個中子進入了減速劑，因與原子核發生一系列碰撞而逐漸變慢。
到達另一團鈾原子時，這些中子的速度已經大大降低，從而被鈾235的原子核所俘獲，因為鈾235俘獲慢中子的效率遠遠高于鈾238。
如上所述，隻有輕同位素鈾235（隻占天然鈾的0.7%）這種裂變元素才能維持漸進性鍊式反應，從而釋放出大量核能。
但這并不意味着我們不能用人工方法制造出與鈾235性質相同而通常并不存在于自然界的其他元素來。
事實上，利用某種裂變元素的漸進性鍊式反應中大量産生的中子，可以把通常不可裂變的原子核變成可裂變的原子核。
這種類型的第一個例子便是上述由天然鈾和減速劑混合而成的&ldquo鈾堆&rdquo。
我們已經看到，使用減速劑可以使鈾238俘獲中子的能力減小到讓鈾235核之間發生鍊式反應。
不過，仍然有一些中子會被鈾238俘獲。
那麼這時會發生什麼情況呢？ 當然，鈾238俘獲中子之後立刻會變成更重的同位素鈾239。
但這個新核的壽命不長，它會陸續射出兩個電子，變成原子序數為94的一種新化學元素的原子核。
這種新的人造素被稱為钚（Pu-239），它比鈾235更容易裂變。
如果把鈾238替換成另一種天然放射性元素钍（Th-232），那麼它在俘獲中子并随後射出兩個電子之後會變成另一種人造裂變元素鈾233。
于是，從天然裂變元素鈾235開始循環進行鍊式反應，原則上可将所有天然鈾和钍變成裂變物質，成為濃縮的核能來源。
最後，讓我們粗略估算一下人類總共有多少能量可以用于未來的和平發展或自我毀滅的軍事戰争。
根據計算，已知鈾礦中的鈾235總量如果完全轉化為核能，足以讓全世界的工業使用數年；但如果考慮到鈾238可以轉變成钚，所估時間會延長到幾個世紀。
再考慮到儲量是鈾四倍的钍（轉變成鈾233），則至少可以用一兩千年，這足以打消關于&ldquo原子能未來短缺&rdquo的任何憂慮了。
即使用盡了所有這些核能資源，而且發現不了新的鈾礦和钍礦，将來的人也能從普通岩石中獲得核能。
事實上，和所有其他化學元素一樣，幾乎任何普通物質都含有少量的鈾和钍。
例如，每噸花崗岩含4克鈾、12克钍。
乍看起來，這似乎很少，但我們再往下算一算。
我們知道，1公斤裂變物質所蘊藏的核能相當于2萬噸TNT炸藥爆炸時或2萬噸汽油燃燒時所釋放的能量。
因此，1噸花崗岩包含的這16克鈾和钍如果變成裂變物質，會相當于320噸的普通燃料。
這足以補償複雜的分離過程所帶來的各種麻煩了，特别是當儲量豐富的礦藏面臨枯竭的時候。
既已攻克鈾等重元素在核裂變過程中的能量釋放問題，物理學家們又處理了被稱為核聚變的相反過程，即兩個輕元素的原子核聚合成一個重原子核，同時釋放出巨大的能量。
在第十一章我們會看到，太陽的能量便來自這樣一個聚變過程，普通的氫核因内部劇烈的熱碰撞而結合成較重的氦核。
為了複制這種所謂的熱核反應以供人類使用，引發聚變的最佳材料是重氫或氘。
普通的水中有少量的氘。
氘核包含一個質子和一個中子。
兩個氘核相撞時會發生以下兩種反應中的一個： 2氘核&rarr2He3+中子； 2氘核&rarr1H3+質子。
要想實現這種嬗變，氘必須處于幾億度的高溫之下。
第一個成功實現核聚變的裝置是氫彈，它用原子彈的爆炸來觸發氘的反應。
然而，一個更為複雜的問題是如何實現受控熱核反應，以為和平目的提供大量能量。
要想克服主要困難，即對極熱氣體進行約束，可以用強磁場把氘核約束在中心熱區之内，阻止其接觸容器壁（否則容器會熔化和蒸發！）。