原子核聚变与氢弹

核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大,如图4.7所示。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程,它的光和热就是由核聚变产生的。

图4.7　核聚变

氢弹是利用原子弹爆炸的能量,点燃氢的同位素氘、氚等质量较轻的原子核发生核聚变反应(热核反应),瞬时释放出巨大能量的核武器,又称聚变弹、热核弹、热核武器。

氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨TNT当量,氢弹的威力则可大至几千万吨TNT当量,其爆炸达到的温度约为100亿度,亦即太阳中心温度的1 000倍。

1942年,美国科学家在研制原子弹的过程中,推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃轻核,引起聚变反应,并想以此来制造一种威力比原子弹更大的超级弹。1952年11月1日,美国进行了世界上首次氢弹原理试验。

苏联的氢弹核试验是世界上至今为止最大的一次核爆炸。1961年10月30日早晨,重26 t的“大伊万”氢弹被装进了1架图-95战略轰炸机中。11时32 分,“大伊万”在试验场上空爆炸。图-95以最快的速度离开了投弹地点,并在爆炸前飞出了250 km,可是爆炸产生的剧烈的冲击波来势更快,巨大的轰炸机被一会儿抛上,一会儿抛下,像在惊涛骇浪中一般。其身后形成了一个恐怖万分的蘑菇火云,迅速膨胀并盘旋上升。热核反应所产生的电磁扰动传遍全球3次,通红的蘑菇云高达70 km。核爆炸后,4 000 km以内的所有的飞机、导弹、雷达、通信等设备全部都受到不同程度的影响。苏军整个通信系统失去联系的时间长达一个多小时。最靠近苏联国土的美国阿拉斯加和格陵兰岛,也受到了严重影响,美军驻阿拉斯加和格陵兰岛上的北美防空司令部的电子系统大都受损,雷达无法操作,通信中断,如图4.8所示。

图4.8　氢弹爆炸

我国于1966年12月28日成功进行了氢弹原理试验,1967年6月17日由飞机空投的330万t当量的氢弹试验获得成功。

从20世纪50年代初至60年代后期,美国、苏联、英国、中国和法国都相继研制成功氢弹,并装备部队。

物理学家爱德华·特勒是世界上第一颗氢弹的主要研制和设计者,号称“氢弹之父”。特勒在美国的国防和能源政策方面发挥过重大作用,全力以赴地推动了美国原子弹和氢弹的研制。他一生获得过无数的奖励和荣誉,其中的著名奖项包括阿尔伯特·爱因斯坦奖、恩里科·费米奖以及国家科学奖,2003年7月23 日,他还被授予了“总统自由勋章”。爱德华·特勒在过去的半个多世纪中对美国的国防和能源政策发挥了重大影响。

目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须使核聚变在人们的控制下进行,这就是受控核聚变。

实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘,可以从海水中提取。科学家们经过计算,从1 L海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100 L汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是取之不尽的,因此若受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。

但是人们现在还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。

尽管存在着许多困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等。可以预计,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类服务。