“人造”的能量

第二节　“人造”的能量

热力发动机是将常规燃烧或核燃料反应产生的热能、地热能和太阳能等转换为机械功的动力机械，简称热机。它是人类所利用的主要动力机械。

热力发动机包括蒸汽机、汽轮机、内燃机(汽油机、柴油机、煤气机等)、热气机、燃气轮机、喷气发动机等。

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。18世纪末蒸汽机的问世，开拓了化学能的利用，大大地提高了劳动生产率，它的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

同时，在20世纪初，原子能的发现，更是一场惊心动魄的能源变革，如今，核能的开发与应用已经崭露头角，并逐步占据了人类能源利用的一角，其利用的未来，以及对人类社会的影响，已万众关注。

一、蒸汽机

1.蒸汽机的产生与演变

16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当的规模，单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等致力于“以火力提水”的探索和试验。

萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机，在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进气阀，在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中;关闭进水阀，重开进气阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进气阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。

萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过6米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。

纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。

1764年，英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。

1782年前后，瓦特将机器进一步改进，完成了两项重要发明:在活塞工作行程的中途，关闭进气阀，使蒸汽膨胀做功以提高热效率;使蒸汽在活塞两面都做功(双作用式)，以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆，扇形平衡杠杆和拉链已不再适用，瓦特便发明了平行四边形机构。瓦特还于18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽机最主要的发明人。

自18世纪晚期起，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累，并对运输业提出了迫切要求。

在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年。经过不断改进，至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙脱”号。此后，蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。

1801年，英国的特里维西克提出了可移动的蒸汽机的概念，1803年，这种利用轨道的可移动蒸汽机首先在煤矿区出现，这就是机车的雏形。英国的斯蒂芬森将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46km/ h，引起了各国的重视，开创了铁路时代。图8-19是蒸汽机车的结构示意图。

图8-19　蒸汽机车的结构示意图

19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。

蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。图8-20是当时利用蒸汽机制造的蒸汽汽车。

图8-20　1769年的蒸汽汽车

2.蒸汽机的工作原理

蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式;按汽缸布置方式，可分为立式和卧式;按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式;按蒸汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式;按排气方式和排气压力可分为凝气式、大气式和背压式。

简单蒸汽机(图8-21)主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成，汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新蒸汽，经主气阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。

3.蒸汽机技术的发展

蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高，而这又主要取决于蒸汽参数的提高。蒸汽机的蒸汽压力和蒸汽温度在几十年的发展中都有了很大提高。

图8-21　蒸汽机原理图

至于效率，瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率不超过3%;到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%;到20世纪，蒸汽机最高效率可达到20%以上。

在转速方面，18世纪末瓦特蒸汽机仅40～50r/min;20世纪初转速达到100～300r/min，个别蒸汽机曾达到2500r/min。

随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽已不可能在一个汽缸中继续膨胀，还必须在相连接的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的蒸汽机。蒸汽机因受到润滑油闪点的限制，所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃，机车、船用等移动式蒸汽机还略低一些，多数不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用压力在2.5MPa以下。蒸汽参数受到限制，从而也限制了蒸汽机功率的进一步提高。

蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。

蒸汽机的弱点是:离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大;新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高;它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高;工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻、体积小、热效率高和操作灵活等优点，在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点，将蒸汽机排挤出了电站。接着电动机又以其使用方便，代替了蒸汽机在工业设备中的应用。然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高，所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合，蒸汽机仍有发挥作用的余地。

蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础;汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工作介质的特点和采用凝汽器以降低排气压力的优点，摒弃了往复运动和间断进气的缺点;内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式，形成了热效率高得多的热力循环;同时，蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器、阀门和密封件等，均是构成多种现代机械的基本元件。

二、内燃机

众所周知，汽车是使用最广泛的交通运输工具之一。每天我们都可以看到马路上奔忙着各种类型的汽车，成为现代社会生产生活中不可或缺的一部分。现代汽车的发展可以说日新月异，在高科技的舞台上始终不甘落后。早期的汽车主要包括蒸汽汽车、蓄电池电力汽车。后来蒸汽汽车因噪声大、破坏路面，而且不安全，逐渐淡出了历史舞台。蓄电池电力汽车启动、加速、减速都很简便，振动小，噪声低，曾经很受欢迎。但蓄电池汽车速度低，一次充电后的行驶距离短，需要经常充电。到19世纪末，内燃机的发明和应用为汽车的发展打开了新的前景，蓄电池汽车很快被取代。内燃机的应用还导致了飞机的发明，使人类交通运输业的面貌发生了巨大的变革，更促进了机械制造业的巨大发展。所以说汽车能发展到今天的程度，和内燃机是息息相关的。图8-22是1886年德国的C.本茨制造的三轮汽车，这辆汽车为单缸发动机，0.7kW，最高时速达到15km/h。1886年1月29日，它为本茨取得了世界上第一辆汽车的专利。

图8-22　1886年德国C.本茨制造的三轮汽车

内燃机不仅应用于汽车制造业，在工业、农业、采矿、兵工等部门中，船舶、机车、物料搬运机械、土方机械、坦克、排灌机械、小型发电装置等无不以内燃机为动力。

内燃机是一种通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。

广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。

活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

1.内燃机的发展历史

活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。

活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。

之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在19世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。这台煤气机的热效率为4%左右。

英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2kW的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7r/min，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，该内燃机都是最高的。

奥托内燃机获得推广，性能也在提高。由于单机功率和压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20%～26%。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，汽油机的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200r/min，汽油机却达到了800r/min，特别适应交通运输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小型船舶的动力。

1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入汽缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入汽缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。

柴油机是以柴油为燃料，利用压缩热自燃，转速一般在百余转至五、六千转每分钟，功率由几千瓦至数万千瓦。广泛用作汽车、拖拉机、坦克、船舶、军舰、机车、发电机组、物料搬运机械、土方机械等的动力。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。20世纪60年代以来，由于世界性的石油危机，以及柴油机具有较高的热效率，因此应用范围也日益扩大。一些过去采用汽油机的领域，如小轿车、轻型卡车等采用柴油机作为动力的日渐增多。图8-23是轮船机舱中的柴油机。

图8-23　轮船机舱中的柴油机

动力机械深刻地影响着人类生产力的发展，19世纪末至20世纪初，随着汽轮机、燃气轮机、喷气式发动机、火箭发动机的发明，交通工具的速度大大提高，人们的交往更加方便，人类活动的领域更加开阔，航天事业得以开拓，从而进一步带动和促进了其他科学和工业部门的发展。

2.内燃机的工作循环

内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外做功的过程，其他过程都是为更好地实现做功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类(图8-24)。

图8-24　四冲程与二冲程内燃机

(1)四冲程工作循环

四冲程工作循环在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内，即在曲轴旋转两圈内完成一个工作循环。

①进气行程:活塞由上止点下行到下止点。此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入汽缸。

②压缩行程:活塞由下止点上行至上止点，此时进、排气门均关闭，汽缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升。

③膨胀行程:在压缩上止点前即喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压的燃气并推动活塞下行做功，此时活塞由上止点下行至下止点。

④排气行程:在活塞从下止点向上止点运动时推挤汽缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

(2)二冲程工作循环

二冲程工作循环在两个行程，即曲轴旋转一圈内完成一个工作循环。当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入汽缸，并扫除汽缸内的废气，使之从排气口排出。活塞上行，将进、排气口均关闭，汽缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使汽缸内可燃混合气燃烧。汽缸内燃气膨胀，推动活塞下行做功。当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，进气口再开启时新鲜充量充入汽缸并清除废气，活塞继续下行至下止点时即完成一个工作循环。当活塞返回上行时即开始下一个工作循环。

3.内燃机的组成

往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和汽缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、启动装置等。图8-25为内燃机结构图。

图8-25　内燃机结构图

(1)曲柄连杆机构。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。

活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭汽缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭汽缸，防止汽缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将汽缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入汽缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆连接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉连接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞做往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线做旋转运动，连杆大小头间的杆身做复杂的摇摆运动。

曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所做的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。

(2)配气机构。汽缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入汽缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮，通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。

(3)供油系统。为了向汽缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合，然后经进气管供入汽缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。

(4)冷却系统。汽缸内的燃料燃烧使活塞、汽缸套、汽缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。

(5)启动装置。内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之启动。这种产生外力的装置称为启动装置。常用的有电启动、压缩空气启动、汽油机启动和人力启动等方式。

内燃机性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩)，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。

内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率;开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源;减少排气中的有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染;采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率;研制复合式发动机，绝热式涡轮复合式发动机等;采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转;加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机。

三、原子能

回顾人类过去几千年的历史，虽然出现了中国的四大发明、埃及的金字塔等科学奇迹，但是纵观人类漫长的生活史，似乎略显平淡。只是从19世纪末至今的百余年间，才出现了一场翻天覆地的变化。而这场变化中的根本发现，就是原子科学。

1.认识原子及核能

在用中子轰击各种元素的原子核时，人们不但发现用中子能实现许多核反应，创造出多种放射性元素(称为同位素)，同时还发现，中子竟是一把打开原子能宝库的钥匙。

1938年，当第二次世界大战的阴影已经笼罩欧洲上空的时候，人类科学技术史上完成了一项重大发现——铀核裂变现象的发现。从此，原子科学又翻开了新的一页，原子科学的历史从原子核物理研究进入到原子能技术革命的崭新阶段。

这项重大发现的序幕早在几年以前就已揭开。1934年，当约里奥·居里夫妇发现人工放射性元素的消息传出后，意大利罗马大学的一些青年物理学家，在年轻的费米的领导下，决定做类似的实验。他们已经不用粒子做炮弹，而是用刚刚发现不久的中子做炮弹来轰击原子核。

在用中子轰击周期表中许多种元素的原子核试验中，最初都像他们所预想的那样，许多元素的原子核都吸收了一个中子。原子核吸收了一个中子后，就失去了稳定状态，而放出射线(电子流)，原子核放出电子后，变成了周期表中下一个位置的元素的原子核。既然一种元素的原子核吸收一个中子后，会衰变为周期表中的下一个元素的原子核，那么当使周期表中的最后一个元素(原子序数为92的铀)的原子核吸收一个中子时，会产生什么现象呢?他们设想，可能产生新的、人们还不知道的超铀元素(即铀后面的新元素，也叫铀后元素)。

费米等人对这个令人感兴趣的问题进行了试验。他们用中子轰击铀，企图得到原子序数为93、94的人造元素，可是所获得的都是一些令人迷惑、无法精确分析的放射性物质。其实，这些物质，后来查明，已经蕴藏着新的重大发现。而费米等人则认为自己已经创造出了原子序数为93的超铀元素。由于未能测出这个核反应的生成物，所以失之交臂地错过了发现铀核裂变重大秘密的机会。

与费米同时，德国柏林凯撒·威廉研究所的放射化学家哈恩和斯特拉斯曼，以及法国的伊伦·居里和约里奥·居里都对上面的问题做了很多试验。但是，由于他们都按着过去已知的核反应规律推断:“元素受到中子的轰击后，生成原子序数增加一的新元素”，得出了一些错误的结论，也都认为自己发现了93、94、95号等近铀元素，并分别命名为所谓“类铼”、“类锇”、“类铱”等，即表示是那一类的元素。后来，哈恩和斯特拉斯曼发现，当把钡加到被轰击过的铀中时，它能带出一些放射性。他们认为，这些放射性应该是镭的，因为镭在元素周期表中正好列在钡的下面。于是，他们认为，铀被中子轰击后，似乎有一部分变成了“镭”。但他们尽了最大努力，这种“镭”还是不能从钡里分离出来。

在世界上许多实验室中，都进行了类似的实验。这些实验都得到了大致相同的看法，并受到了普遍的赞扬。但德国年轻的诺达克夫妇却不以为然。他们当时在布列斯高的弗莱堡大学物理化学学院工作。他们对此提出了完全不同的看法，对费米的“超铀元素”做出了否定的结论，认为这位意大利物理学家的实验在化学分析方面没有提出令人信服的论据。也是在1934年，诺达克夫妇提出了一个大胆的假定，“铀原子核在中子的作用下发生了裂变反应，这个反应与到目前为止发现的原子核反应有很大的区别。似乎在用中子轰击重原子核时，原子核分裂成几个碎片是可能的，而且毫无疑问，这些碎片应该是已知元素的同位素，但不是被轰击元素的相邻元素”。

1938年，伊伦·居里和沙维奇，从铀的被轰击的产物中发现了一种新的放射性元素，它的化学性质和镧完全相同(后来证明是周期表中的57号元素镧-141)。伊伦·居里发表了他们的成果论文。但是他们并没有弄清楚镧是从何而来。

于是，一连几天甚至几星期哈恩和斯特拉斯曼在实验室里，重复着用中子射击铀原子核的核反应试验。他们经过精密的分析终于也发现，获得的核反应生成物并不是和铀靠近的元素，而是和铀相隔很远，而且原子核比铀要轻得多的钡。这是他们过去万万没有想到的。他们对此感到莫名其妙，无法解释。这本来是一个奇迹，可是这些创造了奇迹的人，当时谁也不知道自己已经创造了奇迹。

后来，梅特纳和弗瑞士通过对该试验现象的热烈讨论，认为用中子射击铀原子核时，中子将铀原子核击碎了，他们并用细胞分裂的“分裂”(在英文中，原子核的“裂变”和细胞“分裂”，两个名词都是fission。)这个名词，来表示原子核被打破而分裂的现象，把它称作“核裂变”，或“原子分裂”。同时，梅特纳用数学方法分析了实验结果。她推想钡和其他元素就是由铀原子核的分裂而产生的。但当她把这类元素的原子量相加起来时，发现其和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量。对于这种现象，唯一的解释是:在核反应过程中，发生了质量亏损。怎样去解释所发生的亏损现象呢?梅特纳认为，这个质量亏损的数值正相当于反应所放出的能量。于是她又根据爱因斯坦的质能关系式算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。

弗瑞士赶回实验室去证实他和姑母梅特纳在瑞典所作的设想。他也用中子轰击铀，每当中子击中铀核时，他观察到了那异常巨大的能量几乎把测量仪表的指针逼到刻度盘以外。这样他就完全证实了这个新的观点。

铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上!就这样，人们发现了“原子的火花”，一种新形式的能量。这个能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。但当时，人们只注意到了释放出惊人的能量，却忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥·居里及其同事哈尔班等人又发现了更重要的一点，也是最引人注目的一点，就是在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两三个中子来(图8-26)。这是又一项惊人的发现。一个中子打碎一个铀核，产生能量，放出两个中子来;这两个中子又打中另外两个铀核，产生两倍的能量，再放出四个中子来，这四个中子又打中邻近的四个铀核，产生四倍的能量，再放出八个中子来……。依此类推，这样的链式反应，也就是一环扣一环的反应，又称连锁反应，持续下去，宛如雪崩，山顶上一团雪滚下来，这团雪带动了其他雪，其他的雪再带动另一块雪，这样连续下去，愈滚愈烈，瞬间就会形成大雪球，滚下山坡，势不可挡。这意味着极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。

图8-26　自持链式反应原理图

为了进行核反应研究，必须先建造核反应堆。因为核反应所需要的许多重要数据和机理，必须事先在反应堆的实验中取得。

1941年7月，费米和津恩等人在哥伦比亚大学，开始着手进行石墨-铀点阵反应堆的研究，确定实际可以实现的设计方案。

12月6日，即日本偷袭珍珠港的前一天，罗斯福总统下令设置专门机构，以加强原子能的研究。此时，康普顿被授权全面领导这项工作，并决定把链式反应堆的研究集中到芝加哥大学进行。1942年初，哥伦比亚小组和普林斯顿小组都转移到芝加哥大学，挂上“冶金实验室”的招牌。这就是后来著名的国立阿贡实验室的前身。

在芝加哥大学的这个“冶金实验室”里，费米所领导的小组主要是设计建造反应堆。他们在建造并试验了30个亚临界反应堆实验装置的基础上，最后才制订出建造真正反应堆装置的计划。

1942年11月，这个反应堆主体工程正式开工。由于机制石墨砖块、冲压氧化铀元件以及对仪器设备的制造很顺利，工程进展很快(图8-27)。

图8-27　核反应堆结构图

1942年12月2日，在费米的领导下，世界上第一座核反应堆启动并进入自持状态，同时该反应堆被命名为“芝加哥”第一号CP-1。

在人类历史上，只有很少的几桩个别事件曾在本质上改变过文明的进程，“CP-1”的建成就属于这类事件。从它对未来的推动和它对社会变迁的重大意义来说，可以同蒸汽机的发明相提并论。这一伟大科学成就，首先被应用于原子武器和潜艇核动力方面。然后，各种类型的核电站相继建成。今后还会有更多的奇迹出现。

2.核能与放射性的工程应用

(1)核电站。核电站是能源队列中的巨人。核电站吃食甚少，但力大无比。一座100万千瓦级压水堆核电站，一年只需30～40吨低浓铀核燃料。而同样规模的煤电站，一年要供应212～350万吨煤炭。

核电站的不凡风貌，其奥妙就在它的“核发电机”与众不同。核电站是怎样发电的呢?简而言之，它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆(图8-28)。

图8-28　主反应堆结构图

核电站除了关键设备——核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能。

主泵:如果把反应堆中的冷却剂比做人体血液，那主泵则是心脏。它的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。

稳压器:又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用;在发生事故时，提供超压保护。稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压;当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。

蒸汽发生器:它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸做功。

安全壳:用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害。万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。

汽轮发电机:核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力低，汽轮发电机体积比常规火电站的大。

危急冷却系统:为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统。它由注射系统和安全壳喷淋系统组成。一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。便可缓解事故后果，限制事故蔓延。

核电站里安装着原子反应堆的厂房，由于要求特殊，没有窗户(图8-29)。

图8-29　反应堆厂房剖视图

对于危险的东西，最好的办法是隔离。核电站里的危险物质就是核燃料，它是一种有放射性的物质，特别是在使用过以后，放射性更为强烈。核燃料被密闭在称为燃料元件包壳的金属管内。只要管子不破，放射性物质不会漏到外面来，这是第一道防线。燃料元件放在反应堆的容器内，反应堆容器是密闭的。一切相连的管道，其他各种容器也都是密闭的。这是第二道防线。整个的反应堆设备都安装在一座密闭的建筑物内，这是一座没有窗的房子，万一放射性物质冲破第一道和第二道防线外溢，这座没有窗户的房子就是最后的防线。

核电站的反应堆是一个庞然大物，容纳这样一个东西的房子必然也很大，而且必须十分坚固。设想反应堆发生了十分严重的事故，比如说发生了爆炸，这最后一道防线也决不能受到损坏。它就像一个钟罩似的，把一切危险物质或危险气体都罩在里面，不散发到外面去。

什么结构的建筑式样最坚固呢?是球形建筑或球顶状建筑。球形的东西，如果里面产生压力，那么它所受的力是很均匀的。而且，从几何学上可以知道，球体和其他几何形状比起来，在最小的表面积之下，有着最大的容积。这就是说照这个样子建成的房子，里面可以容纳最多的设备，而所用的建筑材料最少，也最坚固。

核电站反应堆厂房就是按照这个原理设计的。由于它的主要目的是防止核电站在运行、停堆和事故期间因失去控制而将放射性物质排放到周围环境中去，因而这个没有窗的房子就专门叫做“安全壳”。

20世纪50年代的“安全壳”，为了达到密封和坚固的目的，均做成球形的。这是一个很大的球，直径达到20～30m，是用厚达50mm的钢板压成弧形，一块块地拼焊起来的。这要有很高的焊接技术，才能保证密封得很好。这种巨大的圆球，构成了核电站特有的宏伟壮观的景色。

造一个这样大的球形钢壳，要用几百吨钢材。钢材用得多还在其次，主要的困难在于焊接工艺不易达到要求。几千块钢板，几万米焊缝，要做到一丝儿气体也不漏，实在是很困难，而且还要防止焊接中钢板变形。既然安全壳是一种工业建筑，为什么不能用钢筋混凝土来造呢?20世纪60年代就为核电站建成了钢筋混凝土的安全壳，里面敷上钢衬里。式样也从球形演变为圆柱形上接一个半球形的盖，这样便于浇灌。钢筋混凝土壳厚达一米，用来承受压力，而钢衬里只用来保持密封，这样，钢板可以用得很薄，焊接时就比较容易达到气密的要求。

有时候由于要求更可靠的气密性，在钢衬里和混凝土壳之间留一层一米多厚的空气隙，空气隙内的气压比周围环境的大气压低一些，如果钢壳发生泄漏，有放射性的气体就漏入这空隙中，但是它不会再透过混凝土壳的裂缝漏到外面去，只能是外面的大气漏入空隙中。漏入空隙中的有害气体便可吸入专门的处理设备中加以处理，以除去有害的成分。

为了使混凝土安全壳更加坚固，现在大部分新建的核电站都采用预应力混凝土安全壳。它的原理很像紧箍木桶的铁箍的妙用。在混凝土里嵌进许多纵横交错的钢丝绳，用巨大的螺旋机构将钢丝绳拉紧。这样的安全壳十分可靠。每一股钢丝绳都可以安装测力的仪器，随时检查拉紧的情况，如果有哪一根松了，便及时重新拧紧。用这么多钢丝绳捆紧的混凝土壳，不可能一下子绷开。如果损坏，总是先裂一条小缝，钢丝绳的弹力就会把这条小缝挤合。这样的建筑物，固然没有窗，那么门有没有呢?门当然是要有的，不然怎么进去呢?不过这门也是密封的，而且还是十分坚固的。

(2)放射线的工业应用。

①检测。材料的某些物理性质用一般的方法很难搞清楚，但是通过观察辐射和物质的相互作用可以很容易的进行测量。例如，测量放射源放出的粒子透过塑料薄膜或纸张之后的粒子数量就能确定薄膜或纸的厚度。从裂变产物分离出来的同位素锶-90(半衰期28.82年，粒子能量0.546兆电子伏)和铯-137(半衰期30.17年，粒子能量0.512兆电子伏)广泛地用于这样的检测之中。

用探测射线通过物质的方法在外部可以测定管道里流动的液体的密度。管道中的液体起辐射“屏蔽”作用，因为衰减与粒子密度有关。

没有窥视镜或电接触点也不难测出不透明容器中液体的液位。把一个放射源缚在浮子上，让浮子漂在液面上。探测器在容器外面探测放射源的辐射。

通过研究被氢慢化的中子可以估计土壤中的含水量。在中子水分测量仪中，由一个混合的粒子发射体组成的放射源通过(α，n)反应产生中子。中子通量可以为测量含水量提供数据。

有几种核技术已用于石油工业中。在油井探测中，“测井”过程包括地质特征的研究。有一种方法是测量天然辐射。当把探测器从天然放射性岩石区移到含石油或其他液体区时，信号减少。也可以用中子水分测量仪测量石油的存在，因为石油中含有氢。把中子源和射线探测器放到油井中，可以对化学成分进行中子活化分析。

②放射性废物的利用。生产核能中产生的各种同位素，是有害的废物，但也是能给人类提供安全保障的有用之物。例如氪-85(半衰期10.7年)的应用，它是核燃料后处理过程中的一种丰富的副产品。该同位素可作为机场跑道和煤矿照明用的自发光源中的激活成分。这种光源由一个密封的氪-85气体辐照盒构成，氪-85气体和荧光体接触，荧光体被低能电子激发。发光的颜色决定于所用的荧光体，亮度取决于同位素氪-85的总量。这种光源类似于用氪辐照盒代替了灯泡的汽车前灯。其优点是寿命长，不需要能源，与天气条件无关。

使用氪-85“束流断路器”可以防止入侵者，增进安全。当人体经过“束流断路器”时，一束细得像铅笔一样的低能γ射线被遮断，就接通警报器。

③辐射技术的应用。核武器爆炸产生的强辐射对人体是有害的，但是适量的核辐射作为一种物理效应，却有着广泛的应用，可以给人类带来很多奇特的好处。因此，我们现在转向各种辐射源如X射线机、带电粒子加速器、核反应堆和放射性同位素源等的辐射效应对人类有利的一面。贯穿辐射包括电磁辐射、电子或其他带电粒子和中子，它们在工业、医学、农业和空间探测中都有很多应用。下面我们以射线照相法为例:

最早和最为人们所熟悉的辐射应用是射线医学诊断上X射线是用电子轰击重金属靶产生的高频电磁辐射。众所周知，X射线贯穿人体组织的程度取决于物质密度，所以骨骼与其他密集的物质的影子会出现在照相胶片上。一般，射线照相法包括用X射线、γ射线或中子对活组织或物体的内部情况的研究。

通过中子吸收，由稳定的钴-59可以产生同位素钴-60。对医学和工业方面的应用，同位素钴-60是X射线管的重要替代物。钴-60发射的γ辐射能量为1.17和l.33兆电子伏，这两种辐射对检查金属中的缺陷特别有作用。用带有钴射线照相设备的扫描装置扫描，可以揭示金属的内部裂缝、焊接缺陷和非金属夹杂物。同位素钴-60源的优点是小型轻便，无需电源。钴的半衰期为5.27年，因此钴源可长期使用而无需更换。另一方面，射线能量是固定的，强度也不会改变，但X射线机上发出的射线能量和强度是可以改变的。如果用射线照相法给薄样品拍照，用铱-192比较方便。它的半衰期是74.2天，光子能量约0.4兆电子伏。

有些物质对光子不敏感，但这些物质中富有氢，如塑料和橡胶，这时中子射线照相法就弥补了γ射线照相法的不足。典型的中子源是锑-铍源。在这种源中锑-124的γ射线(半衰期为60.4天)在铍中引起(γ，n)反应。一种有希望的新放射源是锎-252，它是反应堆中经中子连续轰击钚而产生的人造同位素(原子序数98)。虽然锎-252大部分时间(96.908%)通过发射粒子而衰变，但其余时间(3.092%)是自发裂变。这两个过程相应的半衰期分别是2.730年和85.57年。平均每次裂变放出约3.5个中子。因此极少量的同位素锎-252就可以用作丰富的快中子源。

④改进材料性能。

改进纤维:电子或γ射线辐照可以改变聚合物如聚乙烯的各种性质。原来的材料是由很长的平行分子链构成的，辐射使这些链连起来。这种过程叫做交联。辐照过的聚乙烯具有较好的抗热性，是很好的电线绝缘包皮材料。经过辐射可以把适宜的聚合物结合到纤维基底上。用这种方法可以制造各种不吸尘土的织物。

化学药品合成:使用高能γ辐射可以引发某些化学反应。在实验室里可以进行很多这样的反应，但相对来讲多数反应是不经济的。然而有一个例外，这就是溴乙烷的生产。溴乙烷为挥发性的有机液体，在有机材料的合成中用作中间化合物。钴-60源的γ辐射在溴化氢和乙烯的化合中起催化剂作用。人们发现作为催化剂的γ射线比化学催化剂、紫外线光电子轰击都好。通过这种独特的方法每年生产数量不少的溴乙烷。另外，在商业上，重要的化学制品聚乙烯也是由钴的γ射线轰击乙烯而产生的。

木材塑化加工:经γ辐照生产的新型木质地板市场需求量很大。木材用塑胶浸泡，并通过一束γ射线。这束γ射线改变了塑胶的分子结构，使木材表面光滑并能防火。产品的外观没有什么变化，但材料都变得非常坚硬，在公共场所使用这种木材是合适的。此外，还可用类似的辐照技术制作经久耐用的建筑用材，如花砖。