文|谷火平
原子（atom），这个词其实早在古希腊时代就已经出现。"原子论"的创始人是古希腊人留基伯（公元前500～约公元前440年），他是德谟克利特的老师。古代学者在论及原子论时,通常是把他们俩人的学说混在一起的。留基伯的学说由他的学生德谟克利特发展和完善，因此在当代，德谟克利特也被公认为原子论的主要代表人物。
尽管人类很早就把组成世界的最小物质定义为"原子"，但是随着科学技术的不断发展，人类一直到20世纪初才真正在物理方面证明了原子的存在，随后俄国科学家门捷列夫以原子量为标准，制作了著名的"化学元素周期表"，从而找到了组成世界的基本物质和它们之间的联系。不过，随着原子理论被相继发现和证明，人类也意识到一点：原子核内部蕴藏着难以想象的巨大能量，它远远超过了人类历史上所运用过的所有能量。
什么是原子能？
原子能，又称"核能"，是指蕴藏在原子核内部的能量。它和我们常见的石油、天然气、煤炭等化学能源不同，它是从原子核内部所释放的能量，而我们日常所使用的石油、煤炭等所谓的"常规能源"，仅仅是化学性质变化而释放出的能量，与原子核本身没有关系。
（雕塑：原子的结构模型）
原子能根据其释放方式不同，主要分为两类：第一种是重原子核裂变为轻原子核时会释放出"裂变能"；另一种则是轻原子核聚变成为重原子时会释放出"结核能"。当然根据能量守恒定律，反过来时，反应过程将会大幅吸收能量。在这方面，恒星在老年时期，由于其聚变燃料消耗殆尽，无法维持聚变反应时，其内部就会因为巨大的压力和极高的温度产生反向的物理反应，实际上，所有的行星物质，例如我们熟悉的、组成地球的主要元素：氧、硅、铝、铁等等其实都是恒星最终聚变和衰变的产物，其中在轻核原子聚变成铁时，整个过程开始不再释放能量，而是要吸收大量，当吸收能量超过恒星自身所能维持的极限后，恒星就会向内坍缩并引发巨大的爆炸，也就是我们常说的"超新星"。（说一点题外话：结婚的女人一定要注意了，如果你的另一半送给你一枚黄金戒指，一定要把它收藏好，因为黄金正是在超新星爆炸时才会聚变生成的特殊物质之一！）
（并非玩笑，自然界的黄金真的是来源于超新星的爆炸，除此以外，没有其他办法让原子聚合成金子）
由此我们知道，当原子发生裂变或者聚变时，所释放的能量要远远大于我们的想象。在通常情况下，原子能的能量密集度要比常用的化学能高5000万倍左右，例如：1个铀原子在裂变时会释放出高达200兆电子伏特（中文表述方式为2亿电子伏特，笔者注）的巨大能量，而正常情况下，1个碳原子在和氧原子通过燃烧生成二氧化碳的时候，仅能释放出4.1电子伏特的能量。而且这还仅仅是裂变能量的释放，如果是聚变反应的话，其能量层级要比裂变反应还要再大三倍以上，由此可见"原子能"是一种多么强大的能量。
原子能，瓶中的魔鬼？
能源，一直是人类社会发展的核心要素。可以说，什么样的能源利用水平，就能诞生什么样的社会组织。例如，当人类只能依靠自身体力作为主要能量的时代，大多人类只能依靠采集和狩猎来养活自己，所以这样的时代就是常说的"原始社会"；当人类可以利用畜力作为主要的能源供给，并且能够一定程度的利用风能和水能（风车和水车）时，人类的社会就开始取得了进步，并演进到封建时代；而当煤炭和石油等高效率能源成为人类的主要能源来源时，工业革命开始了，人类开始进入工业时代。同样，原子能（核能）正是所谓的人类第四次工业革命的重要动力，对于核能的广泛应用，将会把整个人类社会推向更高的发展水平。
（光学显微镜都看不到的原子，却蕴藏着毁天灭地的恐怖能量）
不过人类最初应用核能，却是用来当作杀人的武器。这就是被所有人熟知的原子弹和氢弹。而这两种炸弹的基本原理却完全不同：原子弹主要使用的是上文所说的核裂变原理；而氢弹则利用的是上文所说的核聚变原理，从某种意义上说，原子弹和氢弹的反应方式几乎完全相反。尽管如此，这两种核弹之间却有着割不断的必然联系。
（世界上第一颗用于实战的原子弹"小男孩"的模型）
原子弹的基本原理就是利用中子轰击铀-235原子核时，将会促使其裂变成为氪-89和钡-144，同时释放出200兆电子伏特的能量，并且同时再释放出2～3个中子。如果核材料的纯度足够高、密度也足够大，那么这些钡释放出来的新中子将会同样命中周围的铀-235原子核，从而再一次重复裂变反应，这种裂变反应被称为"链式反应"。如果有足够数量的铀-235材料，那么链式反应就可以维持下去。由于原子和中子的运动速度极快，所以链式反应几乎可以在万分之一秒内完成，所以在一瞬间，核裂变反应就会释放出巨大的能量，从而形成超越所有常规武器的巨大爆炸，这就是原子弹的基本原理。
氢弹则是在原子弹的基础上进行升级的一种全新的核武器，氢弹的主要原理在于使用氢的同位素氘和氚通过聚变反应生成重元素氦，同时每一次氘和氚的聚变将会释放出比铀-235裂变还要大三倍的聚变能，所以聚变反应所产生的爆炸威力要远远大于裂变反应，我们的太阳就是自然界持续不断的聚变反应堆，通过聚变反应不断对外释放光和热，而地球上迄今为止所有的生命其实都是沐浴在核聚变产生的温暖阳光之下。
（氢弹爆炸产生的蘑菇云）
但是核聚变唯一的问题是，只有在相当于太阳核心那种超过2000万摄氏度的高温下，聚变反应才能被诱发和维持。而这种超高温以人类的其他手段和技术根本无法实现，所以，人类想到了原子弹。当前各国的氢弹基本原理都是如此：以原子弹作为"扳机"，因为原子弹爆炸时链式反应爆发出来的能量才能够在一瞬间实现2000万摄氏度的高温，并引发聚变反应。而氢弹就是通过一枚小型原子弹的爆炸引发聚变反应，从而释放出比原子弹更大的能量，并造成更大的破坏。
对核弹的误解和真相
原子弹和氢弹由于爆炸的原理不同，所以其制造、保存、威力和寿命也完全不同。原子弹完全依靠堆砌足够质量的铀235或者钚239等核材料，以便于保证其超过"临界质量"来引爆，整个过程简单粗暴——只要确保有足够数量和足够纯度的核材料，并将其聚集起来，使其总质量超过"临界质量"，那么就会自然触发链式反应并引发核爆。而氢弹则仅仅是把原子弹当作引发聚变反应的手段，所以氢弹通常仅仅装配很小质量的放射性物质，只要确保其满足临界质量即可，更多的空间被用于填充维持聚变反应的氘和氚等物质。
（原子弹的核力相当于化学能的5000万倍，而氢弹比原子弹还要大三倍）
由于结构不同，所以原子弹的辐射性很大，因为引发链式反应的铀-235和钚-239即使在天然状态下也具有一定的放射性，要实现武器级应用，还要对其进行提纯。根据外媒的报道，制造原子弹的核材料，纯度越高越好，同时为了确保链式反应必然发生，在设计时，往往装药量会大大超出诱发核爆的"临界质量"，这一切导致了原子弹的弹头存在严重的放射性，稍不留神就会导致辐射泄露而杀伤自己人。早在1944年美国曼哈顿工程期间，就有至少2位美国科学家死于原子弹的放射性辐射，原子弹的危险性由此可以见一斑。
不仅如此，由于铀235和钚239都是放射性元素，因此在天然状态下，这两种元素本身就会通过不断对外释放辐射而产生衰变。因为辐射也是一种能量，根据爱因斯坦的质能方程E=可以知道，随着放射性元素不断对外释放辐射，其自身也会不断衰变成为其他元素，而当衰变率超过一定数值后，整体的核装药质量低于"临界质量"时，原子弹也就"失效"了。这意味着，原子弹要经常进行抽查，以监视其放射性装药的衰变情况，确保在任何条件下储备的原子弹都处于可用状态，一旦衰变率超过一定标准，那么原子弹就必须被拆除，或者更换新的核装药。因此原子弹的储备期通常比较短，但是生产和保存的成本却很高，目前世界主要核大国大多已经放弃原子弹作为主要的武器储备，而是普遍储备另外一种武器——氢弹。
和原子弹相比，氢弹最大的优势在于，其主要的聚变材料氘化锂（Li-6）没有放射性，因此在提炼和运输保管方面，远优于高放射性的铀和钚两种元素。而且氘化锂的化学性质稳定，也不会爆炸或者挥发，因此便于长期保存。更重要的是，氢弹是依靠核聚变来释放能量，而氘和氚的聚变产物是氦，同样没有放射性。
所以和原子弹相比，氢弹完全可以看作是一种"干净"核弹。氢弹爆炸过后的核辐射残留仅有原子弹的数十分之一。这些残留其实都是作为"扳机"的原子弹没有完全反应而残留下来的产物，氢弹的核聚变本身不产生任何放射性沾染，只是对外释放能量。而因为氢弹的这一特定，早在冷战时期，美苏都曾经制定过，以氢弹武器为先导，用于在敌方战线上撕开缺口，同时再派遣重装甲部队快速通过核爆炸区域，进而向敌方纵深突破的战术，这种战术的制定，很重要的一点，就是因为氢弹爆炸残留的辐射很小，不妨碍装甲部队的快速机动（中子弹可以看作是一种特殊的小当量氢弹，它就是依靠中子流直接杀伤人员，对于装备和建筑的破坏力很小。笔者注）。
（冷战时期，美军的F-15也可以携带多枚氢弹，执行战略/战术打击任务）
而且在储存方面，由于氢弹只需要很小当量的原子弹作为"扳机"，大部分材料为没有放射性的氘和氚等元素的化合物，所以氢弹弹头的辐射很小，而且还处于化合物包裹之中，因此远比原子弹更加安全。而且也正是由于氢弹的主要材料是氘化锂，化学性质稳定，所以尽管也存在核材料半衰期的影响，但是氢弹的"保质期"要比原子弹长得多，从1980年开始，世界各主要大国相互之间签署全面禁止核试验条约，很大程度上也是因为相互之间对于核弹的研究已经趋于完善，而且从1991年苏联解体、冷战结束至今，全球总共仅进行了数量极少的数次核试验，不需要通过核试验来检测核弹头的可靠性，这正是氢弹的特性之一。而网上所谓的"全球只有30枚氢弹战备值班，而且全部在我国"这种传言，看看笑笑就行了，千万别当真。（谣言止于智者）
核去核从？
无论是原子弹还是氢弹，都是把蕴藏在原子核内部的巨大核力作为武器，在一瞬间释放，这种武器在平时是大国的镇国之宝，但是一旦真正发射出去，人类的文明基本也就画上句号了。而这些数十年如一日静静蹲坐在发射井内吃灰生锈的"核大棒"除了安全以外，终究不能给整个人类文明带来更多的收益，如何将核能升级为一种可以广泛应用的能源，是人类研究的重要课题。
如今人类已经基本掌握了裂变技术，并且建造了上千座的核电站。利用裂变技术建造的核电站，其实和200年前瓦特发明的蒸汽机、2000年前古希腊科学家希罗发明的"蒸汽球"原理相同，都是"烧开水"。而裂变式核电站其实也同样是"烧开水"，通过铀或者钚的燃料棒在重水池中的辐射反应，将重水池中的重水烧开，而重水蒸汽通过热交换机（一回路），将热量传递给反应堆以外普通水（二回路），将二回路中的普通水同样烧开成为水蒸汽，然后用水蒸汽推动巨大的汽轮机来发电。
不过，和原子弹一样，由于裂变式反应堆的核燃料都是铀和钚两种，因此具备很强的放射性，在实际使用时必须十分小心，稍不留神就会酿成大祸。例如1979年的美国三里岛核事故、1986年的苏联切尔诺贝利核事故以及数年前的日本福岛核事故等等。所有接触了铀和钚这两种"核燃料"的设备，包括反应堆外壳在内，都因为长期和放射性物质接触而沾染了严重的辐射。这些废弃物很难处理又不能销毁，目前正在成为各国核电发展一个沉重的"包袱"。
（福岛核电站装污水的储水罐已经快要装不下了）
和裂变式反应堆相比，核聚变装置有着极大的优势，其中最优的一点依然是——放射性极小，至于原因上文已经介绍，这里不再赘述。而且和裂变式核电站相比，由于裂变式核电应用技术依然是"烧开水"，而水蒸汽经过两个回路的运行，有相当一部分能量被作为热量散失掉了，根据公开的资料介绍，目前民用核电的效率通常在30%～40%之间，大致和火电的效率相当。而聚变技术则是直接通过聚变能来发电，期间没有热能传导，所以效率要高于裂变式核电站，同时核聚变的能量释放又超过核裂变的3倍以上，所以聚变能所释放的能量更大，也更安全，因此是未来发展的必然方向。
（我国目前在核聚变技术研究方面已经领先世界）
目前在核聚变的技术研究方面，我国自行研制的托卡马克聚变装置（民间俗称"人造太阳"）在2017年时就已经突破了100秒的聚变维持时间，而2020年即将建成的"中国换流器二号M"型将会把我国的核聚变技术研究再推上一个崭新的台阶。所以，我们有理由相信：在不久的将来，民用核聚变技术必然会造福万民。
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