[其它杂谈]核能史话  科学家的忧虑 [第21页]

第三章：核世界奥秘的探索

6、科学家的忧虑

    铀核俘获中子引起裂变，除了可得到裂变碎片和中子外，还发现了另外一个举世瞩目的事实—即在铀核裂变过程中能够释放出巨大的能量，它比锂核被质子分裂时所释放的能量还要大十倍。这种裂变能也可根据铀核裂变前后的质量亏损进行粗略计算。

    假设—个铀235核俘获一个热中子后，分裂成两个质量数分别为95和139的碎片(因为它们在裂变产物中被测得的次数最多)，同时放射出两个中子。裂变前的铀核和中子的静止质量分别为235.124u和1.009u，两者之和为236.133u。而热中子的动能很小，可略去不计。

    裂变后碎片的质量数分别为95和139，通常取其对应相近的稳定同位素的质量，分别为94.945和138.955u作为计算的依据，再加上两个中子的质量2.018u，三者之和为235.918u。这样，裂变前后的质量亏损就是236.133—235.918＝0.215u。而1u所相当的能量为931.5兆电子伏。所以铀核裂变时所释放的裂变能为0.215×931.5＝200.3兆电子伏。

    由此也不难看出，如果裂变碎片的质星数不同，则所得的结果也略有不问。故常用的裂变能平均值为200兆电子伏。而且，这些能量分别被裂变碎片、裂变中子、裂变碎片所发射的γ和β射线，以及一种质量十分微小，而穿透本领比γ射线还要强的中微子所带走。其中裂变碎片所占的动能最大，为80％左右。

    铀核裂变所释放的能量中，绝大部分均可变成热能后加以利用，只有一小部分能量被中微子带走。为此在铀核裂变能的利用中，随着铀核数量的增加，其裂变次数和降放的能量可达非常巨大的数值。并可通过换算得，1公斤铀235全部裂变所相当的发热量和2700吨标准煤的发热量相等，所以核能确实是一种高浓缩的能源。但是，要实现核能的实际应用，需解决一系列困难问题。

    首先，为了铀核能不断引起裂变，必须解决中子的来源问题。从铀核的裂变方程中，我们曾经假设能够释放出2～3个中子。为了对此进行实验验证，当时有三个科学家小组，两组在英国的哥伦比亚大学，由费米负责；另一组在法国巴黎，由约里奥·居里夫妇负责。他们先后从铀核裂变过程中测得了裂变中子，证明了铀核每次裂变确能同时释放出2～3个中子，这就为核裂变能的利用提供了重要的依据。因为这样一来，铀核裂变本身就能连续不断地提供打开核能宝库的金钥匙—中子。原来，铀核一旦被外来的中子引起裂变后，就能释放出更多的中子，这些中子再去击破更多的核。

    我们可以想象，如果大量铀核中的每个铀核俘获中子裂变后都能放射出两个中子，那末首次裂变后两个新中子可被另外两个铀核俘获产生裂变，在释放出两倍裂变能的同时又放射出四个新中子。四个中子又可引起四个铀核裂变，放出四倍裂变能和八个新中子……。依此类推，新一代的中子数和铀核分裂数，将像雪崩一样急剧增加，当然裂变能也会激增到一个非常惊人的数值。这种按照几何级数迅速增加的裂变反应过程被物理学家称作为“链式反应”。

    由此可知，在数量足够多的铀核中，裂变反应一经开始，它就能自动地连续进行下去，最终所得的裂变能是非常可观的。这就意味着，能量极其微小的中子，将有能力唤醒沉睡在大自然中已达几十亿年的原子巨人。

    此外，我们从实验中知道，裂变反应从一个原子核传递到另一个原子核的时间间隔是十分短暂的。所以如果铀核裂变链式反应一旦实现，那末顷刻之间就能有大量铀核发生裂变反应，巨大的裂变能将在极短的时间内被释放出来。这样，就很有可能会造成一场威力巨大的核爆炸，它比同样数量的普通炸药所发生的化学爆炸强几百万倍。

    计算表明，一公斤铀235全部裂变所释放出的能量相当于两万吨梯思梯炸药全部爆炸时所放出的能量。当时正处在第二次世界大战爆发前夕，可以想象，许多科学家为它可能被战争狂人用来制成威力巨大无比的武器是多么担忧，甚至感到恐惧。

    当时，欧洲许多著名的科学家，包括爱因斯坦、波尔、费米等人，因受希特勒的迫害，先后陆续直接或绕道来美国避难。这样美国就很快成为世界上人才最集中的地方。战后有人曾经估计美国的这一“人才能源”，它给美国的贡献相当于两三百亿美元的财富。现在看来，这种估计无疑是保守的，因为这些科学家不仅在当时直接对美国的科学学技术和工农业生产的发展起着巨大的推动作用，而且为战后美国工农业生产，以及各种先进科学技术，包括空间科学、导弹、电子计算机和核能等方面在世界上取得领先地位打下了坚实的基础。

    综观世界上诺贝尔奖金获得者的人数，美国人(包括美藉其它各国科学家在内)占了绝大多数。其中，在美国从事铀核裂变方面研究工作的科学家中，比较著名的是费米和匈牙利物理学家西拉德，他俩都是犹太人。西拉德是在1937年从英国迁居英国的，而费米一家是在1938年12月10日趁去瑞典接受诺贝尔奖金的机会移居到美国的。

    根据多年来对铀核裂变研究的结果，特别是铀核裂变首先是在德国被哈恩等人发现的有利条件，他们担心希特勒有可能生产出威胁人类生存的核武器。因为随着第二次世界大战的战火不断扩大，希特勒差不多占领了整个欧洲，他为了独霸世界，为了赢得战争胜利什么事都能干得出来。

    为此他们要求把关于铀核裂变的研究成果加以保密，并说服别的科学家共问遵守这个规定。还写信给欧洲的有关核科学家，要求他们也对希特勒保密。例如，西拉德在1939年2月写信给约里奥·居里夫妇时，曾经提到：“两星期前，当哈恩的文章传到我们这里来的时候，我们这里就有些人想了解，铀核裂变以后能否有更多的中子释放出来。如果能有一个以上的中子能够释放出来，那么就有可能形成链式反应。这样在一定条件下，能够制造对人类有极大威胁的原子弹是很有可能的”。由此可见，西拉德这位正义善良的科学家，一方面希望裂变能能被早日利用，但另一方面却又担心它被用了战争。所以他就联合世界上的科学家，共同对战争狂人实行保密。

    当然，在实际链式反应系统中，除了产生裂变的铀核本身会吸收中子外，还有很多不利于中子生存的条件。其—是许多结构材料(如不锈钢、铝合金或结合金等)和慢化中子的慢化材料料等，它们都能俘获中子；其二是系统的尺寸不能无限大，总是有一定的大小，这样穿透能力很强的中子很可能穿过铀核等材料，未能产生裂变而直接逃逸出链式反应系统。

    由此可知，为了要实现铀核裂变链式反应，必须创造有利于铀核裂变的条件。并使裂变中子的损失减小到最低程度，每次裂变中至少有一个裂变中子能被另一个铀核俘获产生新的裂变，才能使链式反应进行下去。

    科学家们发现只要选择合适的裂变材料(除了铀235外，还有铀233和钚239)，并加上合适的慢化剂、反射层材料，把它们组成一定的几何大小，铀核裂变链式反应就能一直进行下去。这样一来，许多科学家也就更加忧虑。而西拉德的心情显得更加沉重，他想只要有一块足够大的铀块就会产生出难以想象的能量。

    当时希特勒己吞并了捷克斯洛伐克等国，并霸占了很多可以用于核裂变链式反应的重要材料。其中特别使得人们担心的是捷克的铀矿和几公斤重水，因为这些都是研制核武器的必要条件。为此西拉德又联合了另外两名流亡在美国的匈牙利物理学家威格纳和特勒以及其它学者，联名提请美国政府必须重视核裂变链式反应的研究工作。

    直到1939年8月2日，西拉德等人又联合著名科学家爱因斯坦，请他在一封事先拟好的呈交给美国总统罗斯福的信件上签了名。在同年10月11日此信递交给了罗斯福总统，接着总统就下令设立铀矿顾问委员会，并拨专款对铀裂变链式反应进行研究。而从1940年开始，科学家们自愿共同实行一项保密计划。这年夏天美国政府又批准了这一保密政策。后在1941年12月6日，即日本偷袭珍珠港的前一天，美国总统罗斯福才正式下令决定设置有关机构，并拨巨款从事发展原子弹的研究制造工作。为了保密起见，机构的名称被叫做“曼哈顿工程”。