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第11章 进入核能时代

核能是20世纪的一项伟大发现。1942年12月2日,在意大利著名科学家费米的领导下,几十位科学家在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。当核能进入人们的生产和生活后,一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。

反应堆是人们长期科学实践的结晶。1934年,费米用中子轰击铀,发现了一系列半衰期不同的同位素。1938年,德国一位化学家用中子轰击铀时,发现铀受到中子轰击后的一种主要产物是质量约为铀原子一半的钡。瑞典物理学家于1939年初阐明了铀原子核的裂变现象。由于铀235裂变后会释放出大量的能量和中子,费米等人认为,铀的裂变有可能形成一种链式反应而自行维持下去,并可能是个巨大的能源。

为了论证实现链式反应的实际条件,美国决定建造一座可控的链式反应装置——原子反应堆。1941年12月,费米来到芝加哥,领导美国一批物理学家在芝加哥大学斯塔格运动场的西看台下,开始建造世界上第一座原子反应堆。

要实现自行维持下去的链式反应,有两个中心环节:一是为了有效地激发核反应,需要用“慢中子技术”将快中子慢化(减速)。在美国,费米等人主要用石墨作减速剂。二是必须严格控制裂变反应速率。因为,万一链式反应进行得太快,整个装置就有可能爆炸,带来灾难性后果,所以必须采取措施防止太多的中子放出。为了能够准确地控制中子的产生,并因此而控制链式反应的速度,反应堆应配备可以移动的镉棒。镉能够吸收中子并使它们变得无害,而且不允许不需要的核反应发生。

1942年11月,一切准备就绪,费米带领两个科学家小组,开始昼夜不停地营建反应堆。这个反应堆是由石墨层和铀层相间堆砌而成,共计57层,堆高6米,呈扁球形。堆的中间有许多小孔,内插镉棒,镉棒深入的尺寸可以调节。12月1日,最后一层终于全都铺好。

12月2日凌晨,所有参与这项秘密计划的人员都聚集在第一座反应堆旁,在费米的指挥下各就各位。为了防止反应堆爆炸,采取了广泛的安全措施——由电动机操纵的第一组镉棒在反应堆开始工作时由指挥台直接控制;第二组镉棒在反应开始时,可以用手抽出;第三组当遇到意外时,可使其滑入反应堆。万一这些措施都不顶事,还有一个三人小组随时准备把大量的镉盐溶液放出,倾泻在反应堆上。

下午二点钟,镇定自若的费米,指挥工作人员撤出了一根又一根镉棒,最后只剩下一根了。过了一会儿,这最后一根镉棒也抽出了一部分,顿时,中子释放频率达到相当高的程度,在场的人都觉得心惊肉跳,只有费米一人一边迅速拉着计算尺,一边发出命令“把镉棒再撤出6英寸”……一分钟又一分钟过去了。下午三点三十五分,根据各种仪表的指示,费米郑重地宣布:“现在已是链式反应!”由于极度兴奋,他的声音都颤抖了。从此,原子能时代开始了!

科学小链接

费米轶事

费米在比萨大学读书时,教授们还在讲授牛顿经典力学和电磁学,对新兴的量子理论知之不多。费米却已经在钻研量子理论方面颇有心得,所以教授们有了疑难问题时,还要经常向身为学生的费米请教。