摘要：试用爱因斯坦的质能公式阐述核变原理， 并用此破解能源危机， 根据现有的技术情况， 分析现有核变可控应用的利弊， 对核聚变可控提出研究问题的思路。
关键词：能量危机； 核变； 可控核聚变； 思路；
从能源结构来看：有机械能、化学能和核能等三种。现有的机械能 （如水能、风能、畜力等） 和化学能 （煤炭、石油、天然气、可燃冰、生物能等） 不能满足现代化的需要， 而核能 （太阳能、核聚变能、核裂变能等） 才刚起步， 并且有很多的技术难关至今未能解决， 如核聚变能的应用。本人试对核能的形成现象进行阐述， 为新能源 （如核能等） 开发寻找一种捷径的方法。
从爱因斯坦的质能方程 （E=m×C2, E是能量， m是质量， C是光速 （约为30万km/s） ） .可知：能量和质量是互相转换的， 因此， 元素周期表各元素因质量不同， 其所涵蕴的能量不同， 所获得的核变能量也不同。在核变中， 只有外界的能量打破元素离子体的结合能 （俗称核键能） , 才能引起元素核变， 其能量一般包涵有三种， 即形成的各种射线 （如α射线、β射线、γ射线等） 的幅射能、形成新元素的质量能 （包括其原子、中子、电子等粒子结合在一起的结合能、万有引力能、场能及键能） 、释放能量和光 （波） 子、中微子、中子 （有的核变吸收能量、中子和光 （波） 子） 等粒子等等。元素原子质量越大， 蕴藏结合能就越大， 反之， 其蕴藏结合能就越小。要打破原子核结合能， 须用的中子 （粒子） 穿过电子层对其原子核进行撞击， 特别是轻原子核， 必要时采用核裂变下产生的高温高压高速中子 （粒子） 对其原子核冲击后才能打破结合能， 形成核变。在能源应用上， 我们需寻找可使用的核能元素必须在自然界中蕴藏量较大或人工可以合成的， 且核变时能释放大量能量和放出多个中子 （粒子） 的核变， 其原因是： （1） 释放大量能量促使新元素 （包括惰性气体等） 升温升压对外做功以及与其它物质进行能量交换； （2） 释放的能量保持核变元素始终处于高温高压的裂变条件； （3） 释放出多个中子 （粒子） 能够使元素的核变进行链式反应； （4） 其所获得的核变元素材料的单位成本不高， 对人类危害较少。如能有效的控制核变速度， 使其按照人类的意愿进行能量的释放， 则是人类解决能源方案的关键。核变分为核裂变和核聚变。下面本人重点对核变可控进行阐述：
核裂变是由热中子 （粒子） 进入有奇数中子的原子核内时， 裂变就有可能发生。重核分裂时产生两个较小的核和两个或更多个的中子 （粒子） 以及许多能量。从能源上看， 原子序数在30~63之间的元素在元素周期表中有较大的质量亏损， 这就意味着裂变所产生的两个核元素都在原子序数为30~63之间的元素时所放出的能量 （其质量亏损量的能量） 较大。另外在同一电子层中， 惰性气体所含结合能的万有引力 （电子与核子间的万有引力） 最大， 其原子核外的电子层处于比较稳定状态， 不易被剥夺， 几乎不与其它元素参加化学反应， 它是以单个原子存在， 易以气体形式存在， 因此， 核裂变中所生成的元素首先是原子序数为30~63之间比较稳定的惰性气体元素。例如慢速的热中子 （粒子） 撞击重核时， 会发生裂变， 在核裂变中， 会放出原子序数在30~63之间的比较稳定地惰性气体元素和比惰性气体元素较小的核质量亏损较大的元素等两个新元素， 以及放出射线和2~3个中子 （粒子） , 释放出巨大的能量 （在条件充足的情况下会获得能量最大） , 在释放能量和中子满足核变要求的情况下， 会形成核变链式反应， 即重核重量达到一定程度时， 因链式反应而形成核爆炸。在核裂变中需要注意的是：撞击裂变重核的中子速度过快， 会被重核元素俘获而形成变异重核或形成更重的重核 （其在一定的催化元素和能量下） , 并吸收能量， 不能形成链式反应的核裂变， 而形成吸能核聚变。若核变生成的元素的原子序数小于30时， 因质量亏损回弹而造成释放能量较小， 甚至是吸收能量， 也不易形成核能链式反应。
核聚变在能源应用上， 一般使用热核反应。热核反应是由物质达到几百万度 （指摄氏度） 以上的高温时， 原子的核外电子已经完全脱离， 成为等离子体， 此时离子体轻元素的原子核就具有足够的能量， 克服相互间结合能的库仑斥力， 在相互碰撞中接近到可以发生核聚变能量的条件， 若再有高速中子 （粒子） 撞击离子体轻元素的原子核来催化， 则其捕捉中子 （粒子） 而发生聚变反应， 从而形成比其重的原子核元素， 也放出大量的核能 （质量亏损的能量） 以及中子、中微子、光 （波） 子等， 例如：太阳中的核聚变， 氢 （包括同位素） 在1500万℃和2000亿个大气压高温高压以及中子 （粒子） 撞击下， 就可聚变成氦， 并由氦聚变成碳， 再由碳聚变成更重的原子核元素， 直到核子结合最紧密的原子核铁元素 （其原子序号为26） , 并释放出巨大的能量。要聚变成元素铁以后的元素因放出的能量不足或需要吸收能量和中子 （粒子） , 不易形成核链式反应。需要说明的是：核聚变成铁元素的同时极易形成原子序数为27~29 （钴、镍、铜等） 元素及以后元素等符带元素， 直至生成到最高的符带铅元素 （其原子序号为82） , 因其吸收能量和中子 （粒子） 常使核聚变中断， 不易形成核链式反应。
从上可以看出：在产生能量的核反应中 （包括核聚变和核裂变） , 核聚变最终产物是铁 （原子序数26） , 核裂变最终产物是原子序数为30~63的元素， 若以原子序数30为界则是锌。由于原子序数在26~30之间的元素处于元素周期表中的过渡元素的第VIIIB族 （如铁钴镍等） 和第IB族 （如铜） 、第IIB族 （如锌） , 其外层电子层基本处于饱合和稳定状态 （其外两层的电子层分布为：铁 （26Fe） , 3d64s2、钴 （27Co） , 3d74s2、镍 （28Ni） , 3d84s2、铜 （29Cu） , 3d104s1、锌 （30Zn） , 3d104s2等） , 其核结合能相对较大， 因此， 质量亏损不较大， 同时， 其比结合能较大， 是很难打破的原子核。所以， 在元素周期表中， 是以原子序数26为界， 原子序数小于铁元素 （26） 为轻元素， 大于铁元素 （26） 为重元素。对于轻元素来说， 越小原子序数， 所含比结合能 （注：比结合能是结合能除以核子数之值） 越小， 对于重元素来说， 越大原子序数， 所含比结合能也越小。由于重元素的质量比较重， 其所含的结合能也较大， 当比结合能 （俗称单元核键能约束原子力） 很小时， 只要外界给予一个能量 （如受到一个慢速中子碰撞时） , 就能产生核裂变， 产生巨大的能量， 因此， 只要我们利用原子中的比结合能较小的元素进行核变， 我们就能在安全的情况下以最小的成本得到核能。另外， 也从爱因斯坦的质能方程 （E=m×C2） 可知：元素周期表中， 各元素以质量形式储藏着 （E=m×C2） 的能量， 并且元素之间在一定的条件下 （如高温高压和中子 （粒子） 冲击下产生的核聚变或核裂变等） 可以互相转换的， 根据此情况， 甚至于有人说：只要给予能量， 就可以造出所需的元素和物质， 另外， 世界上所有的物质和元素都可以转变成我所需的能量。所以， 各元素所储藏着总的能量是由质量能、万有引力能和场能 （俗称环境 （如周围的温度、压强、介质传导等） 状态能） 组成， 对其能量特别是核能 （结合能） 是取之不尽的。
在核变中， 只有可控核变， 才能为我所用。现在， 核裂变是采用碳棒 （或重水） 来控制其反应速度， 在各国中已建有几百座核裂变电站。但是， 因核裂变电站中核裂变的原料 （如铀、钚等） 和核裂变产物都有较强的放射性甚至有剧毒， 其核辐射会对人造成伤害， 加之， 核裂变铀矿资源有限， 浓度较低， 需要用离心机浓缩铀才成为核裂变的原料， 且足够多的高浓度的铀放在一起， 空气中的中子就足以引发链式反应， 立刻爆炸， 对核裂变原料储存安全和废料处理都存在问题。而对于核聚变能应用来说， 因核聚变能的可控问题还没有解决， 至今未能应用到现代建设中去。现在， 主要还是应用在国防军事上， 如氢弹等， 对氢弹来讲其是用原子弹引爆的， 先用裂变达到聚变条件， 再通过聚变放出更大的能量。由于核聚变点火起点较高和核聚变后产生巨大的能量， 例如：在太阳中心， 氢 （包括同位素） 可以在1500万℃的高温和2000亿个大气压的高压下才聚变成氦。而在地球上没有那么高的压强， 要发生聚变， 温度就只好更高， 达到上亿度， 核聚变后的温度和压强就更高了。因此， 要想实现可控的核聚变， 必须解决三个问题： （1） 如何将聚变材料加热到几百万度以上温度 （如太阳聚变1500万℃或无高压时达上亿度等） 的温度？ （2） 用什么容器 （反应鼎） 来装聚变材料反应前后这么高的压力和温度？ （3） 如何把热核聚变转化为冷核聚变。若把核聚变反应堆 （包括核聚变快中子反应堆） 看成一个火炉， 则上述的第一个问题就相当于“怎么点火”, 第二个问题相当于“怎么保证不把炉子烧穿”, 第三个问题也相当于怎样使点火的条件降低？上述问题在技术上均有突破。在第一个问题上， 我国中科院在合肥等地先后建成HT-7中型超导托卡马克， HL-2A大中型常规导体托卡马克和“实验的先进的超导的托卡马克”, 简称EAST, 其中， HL-2A最高温度已达5500万℃， 还没有达到应用要求。在核聚变点火上， 一般采用核裂变点火、高温高压点火、激光束点火、快速中子 （粒子） 点火、高压电弧点火、高频高磁点火或其混合点火等点火方法。由于核聚变的原料在点火时， 已处于气化 （气体） 状态， 还需要对其进行约束， 现有约束方法有： （1） 磁场约束法。把聚变燃料加热等离子体 （原子核和电子分离， 都可以自由流动， 即将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态， 也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚， 让原子核能自由运动， 这时才可能使裸露的原子核发生直接接触， 这就需要达到大约10万℃的高温） , 用超强磁场约束等离子体， 让它们悬空高速旋转， 不跟容器直接接触， 再点火聚变。EAST等托卡马克装置， 走的就是这条路。 （2） 惯性约束法。把聚变燃料放在一个弹丸内部 （如：把几毫克的氘和氚的混合气体或固体， 装入直径约几毫米的小球内等） , 用超强激光照射弹丸， 瞬间达到高温， 弹丸外壁蒸发掉， 并把核燃料向内挤压， 形成点火聚变。美国的“国家点火装置”撞击和中国的“神光三号”等实验装置， 走的就是这条路。 （3） 吸附约束法。利用钯可以大量吸收氘气 （氢的同位素） 的特性制作核聚变燃料棒进行约束， 用快速不带电中子 （注：因中子不带电， 具有磁矩， 且穿透性强， 可用高频强磁进行加速， 同时， 在对撞时， 电子在超高压下无路可逃， 被压入了原子核， 跟质子结合生成了中子， 是理想的原子核核变及其链式反应的催化物） 穿越电子层和约束材料层， 对氘核钯棒撞击， 来克服强大的原子核静电斥力， 使核燃料原子核间距离达到要求 （因所有原子核都带正电， 按照“同性相斥”原理， 两个原子核要聚到一起， 必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近， 静电产生的斥力就越大。只有它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时， 核力 （强作用力） 才会伸出强有力的手， 把它们拉到一起， 从而放出巨大的能量） , 形成点火聚变。核聚变快速中子反应堆等实验装置， 走的就是这条路。对于第二个问题， 中国已研制盛放超过1亿度的聚变燃料的容器， 它是用三种材料 （特殊高纯度金属铍、铟合金、不锈钢等） 组成的三明治结构和经过特殊处理使三种材料紧密结合的工艺。在不烧穿炉子的情况下实现点火和室内核聚变前进了一步。而第三个关于提高点火灵敏度的问题， 主要是从原料的纯度、密度和配比研究比较多， 如利用浓缩或提炼提高氢 （包括氢的同位素） 纯度、氘和氚等气体混合比例、氘和锂的配合比例、钯对氘的吸收量、核裂变材料和核聚变材料的混合量等等， 并利用高温高压高约束和加入催化元素或化合物提高点火灵敏度。在以加快中子或粒子速度来实现与聚变原料在高温高压高速下进行对撞聚变等研究方面， 已研究出适应对撞配套设备各种装置， 如中国科学研究院兰州物理分院重离子加速器、快循环质子同步加速器、北京高能物理研究所正负电子离子对撞机、广东东莞物理所能产生高通量中子源的中国散裂中子源和部分欧美国家中子 （或粒子） 加速强子对撞机等。上述工作中比较成熟的成果还是高温高压和提高核聚变原料的密度以及合理的配合比上， 因此， 要实现核聚变能利用， 还有一段距离。现在， 可控核聚变的研究方面：我国在新材料上和装置上已领先一步， 其它国家和组织， 如：日本、韩国、俄罗斯、美国、印度和欧盟等也进行相应的研究， 但近期因受国际环境的影响， 研究进度比较缓慢， 甚至在有些项目上处于停滞不前状态。不管如何， 我们只要在国际社会的共同努力下， 不久的将来， 会突破核聚变可控的瓶颈。
核聚变属于既干净又安全的能源。原因是： （1） 它不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射， 不会产生核废料等污染环境的放射性物质， 基本不污染环境， 当然也不产生温室气体， 是比较干净的。 （2） 核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行， 也是比较安全的。同时， 在地球上蕴藏的核聚变能的原料远比核裂变能的原料丰富得多。据测算， 每升海水中含有0.03g氘， 所以地球上仅在海水中就有45万亿t氘。1L海水中所含的氘， 经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍， （注：1kg铀238核裂变能产生的能量相当于2500t标准煤） , 可以说是取之不竭的能源。因此， 只要我们解决了核聚变可控问题， 我们就可做到： （1） 可控核聚变实现， 就实现核聚变发电， 为现代文明建设提供源源不断的动力； （2） 可控核聚变实现为直接开发无工质聚变发动机提供基础， 它是星际航行唯一可靠的能源， 也为液体上航行、液体中潜行、空中飞翔物和高速列车连续不断地运行提供移动巨大动力， 更为防止核灭亡而建造的地下封闭空间， 提供人类生活循环小环境和活动所需能量； （3） 可控核聚变实现， 为人类寻找所需合成元素、新的化合物、人造食物提供条件； （4） 可控核聚变实现， 为国防建设、保卫人类文明提供保障； （5） 可控核聚变实现， 为人类改变自身的居住环境打下基础。
综合上述， 在保证人类安全的情况下， 使用取之不尽的核聚变原料氢 （包括其同位素） 作为能源， 才是人类解决能源的关键。而能实现核聚变发电， 关键是核聚变可控技术， 核聚变可控技术的关键则是原料瞬间提升到点火温度和降低点火温度技术 （包括核聚变引药子技术） 以及其反应容器耐高温高压技术。现在， 在各国协同作战下， 已取得较大的成果， 距离核聚变能利用的目标已经为期不远了， 看到了署光。只有各国继续在国际组织下， 按照正确的思路和既定目标， 利用各国各自的优势， 即分工又合作， 发扬前仆后继的精神， 才能在不久将来攻克核聚变可控技术最后难关， 化解能源危机， 为人类提供取之不尽的能源， 使中国梦和人类梦得以实现。
参考文献
[1]厉桦楠。我国能源资源利用效率评价及对策建议[J].山东社会科学， 2017 （09） .
