核物理：放射性与核聚变——驱动未来的力量

核物理是一个深入研究物质基本构成单元的领域，探索原子核及其结合力。该领域中的两个关键现象是放射性和核聚变，它们都对科学、技术和能源的未来具有深远影响。本文将全面概述这些概念、其应用以及它们带来的挑战。

理解放射性

什么是放射性？

放射性是指不稳定原子核自发释放粒子或能量的过程。这个过程也称为放射性衰变，它将不稳定的原子核转变为更稳定的构型。放射性衰变有几种类型：

• α衰变 (α): 释放一个α粒子，即氦原子核（两个质子和两个中子）。α衰变使原子序数减少2，质量数减少4。例如：铀-238衰变为钍-234。
• β衰变 (β): 释放一个β粒子，可以是一个电子 (β-) 或一个正电子 (β+)。β-衰变发生在中子转变为质子时，同时释放一个电子和一个反中微子。β+衰变发生在质子转变为中子时，同时释放一个正电子和一个中微子。例如：碳-14衰变为氮-14 (β-)。
• γ衰变 (γ): 释放一个γ射线，即高能光子。γ衰变不改变原子序数或质量数，而是在α或β衰变后从原子核中释放多余的能量。

放射性的关键概念

• 同位素： 具有不同中子数的同一元素原子。一些同位素是稳定的，而另一些则是放射性的。例如，碳有稳定的同位素如碳-12和碳-13，也有放射性同位素碳-14。
• 半衰期： 样品中一半的放射性核素发生衰变所需的时间。半衰期的范围很广，从几分之一秒到数十亿年不等。例如，用于核医学的碘-131的半衰期约为8天，而铀-238的半衰期为45亿年。
• 活度： 放射性衰变的速率，单位是贝克勒尔 (Bq) 或居里 (Ci)。一贝克勒尔等于每秒一次衰变。

放射性的应用

放射性在各个领域有许多应用：

• 医学： 放射性同位素用于医学成像（例如，使用氟-18的PET扫描）以诊断疾病，以及用于放射治疗以治疗癌症（例如，钴-60）。锝-99m因其半衰期短和发射γ射线而被广泛用于诊断成像。
• 年代测定： 放射性碳定年法（使用碳-14）用于确定年龄长达约50,000年的有机材料的年代。其他放射性同位素如铀-238和钾-40则用于测定岩石和地质构造的年代，为了解地球历史提供了见解。
• 工业： 放射性示踪剂用于检测管道泄漏和测量材料厚度。镅-241被用于烟雾探测器。
• 农业： 辐射用于食品杀菌，延长其保质期并减少腐败。辐照也可用于控制害虫和提高作物产量。
• 核电： 放射性是核能发电的基础，其中利用核裂变（原子分裂）产生的热量来发电。

放射性的挑战与风险

尽管放射性带来了许多好处，但它也带来了重大风险：

• 辐射暴露： 暴露于高水平辐射可能导致辐射病、癌症和基因突变。急性放射综合征 (ARS) 可能由短时间内接受大剂量辐射引起，会损害骨髓、消化系统和其他器官。
• 核废料： 核电站产生的放射性废料的处理是一个重大的环境挑战。乏核燃料含有高放射性同位素，其危害性可持续数千年，需要像地质处置库这样的长期储存解决方案。
• 核事故： 核电站事故，如切尔诺贝利（乌克兰，1986年）和福岛（日本，2011年），可能向环境中释放大量放射性物质，造成广泛污染和长期的健康后果。这些事件凸显了强大的安全措施和应急准备计划的重要性。
• 核武器： 核武器扩散的潜力和其使用带来的毁灭性后果仍然是全球安全的主要威胁。

核聚变：恒星的能量

什么是核聚变？

核聚变是两个轻原子核结合形成一个较重原子核的过程，并释放出巨大的能量。这与为太阳和其他恒星提供能量的过程相同。目前研究最多的聚变反应涉及氘（重氢）和氚（另一种氢的同位素）：

氘 + 氚 → 氦-4 + 中子 + 能量

为什么聚变很重要？

核聚变为实现清洁、丰富和可持续的能源提供了潜力。以下是一些关键优势：

• 燃料丰富： 氘可以从海水中提取，而氚可以由锂生产，锂的储量也相对丰富。与化石燃料不同，聚变的燃料来源几乎是取之不尽的。
• 清洁能源： 聚变反应不产生温室气体或长寿命的放射性废料。主要副产品是氦，一种惰性气体。
• 高能量产出： 单位质量的聚变反应释放的能量远多于裂变反应或化石燃料燃烧。
• 内在安全性： 聚变反应堆本质上比裂变反应堆更安全。失控的聚变反应是不可能的，因为等离子体需要在非常特定的条件下维持。如果这些条件被破坏，反应就会停止。

聚变的挑战

尽管潜力巨大，但实现实用的聚变能仍然是一项重大的科学和工程挑战：

• 极端温度： 聚变需要高达约1亿摄氏度的极端高温，以克服带正电的原子核之间的静电斥力。
• 等离子体约束： 在这样的温度下，物质以等离子体的形式存在，即超高温的电离气体。将等离子体维持和控制足够长的时间以实现聚变是一个重大挑战。目前正在探索各种约束方法，包括磁约束（使用托卡马克和仿星器）和惯性约束（使用高功率激光）。
• 能量增益： 实现一个持续的聚变反应，使其产生的能量超过其消耗的能量（称为净能量增益或Q>1）是一个关键的里程碑。尽管已取得重大进展，但实现持续的净能量增益仍然遥不可及。
• 材料科学： 开发能够承受聚变反应堆中极端高温和中子通量的材料是另一个重大挑战。

实现聚变能的途径

目前正在寻求两种主要方法来实现聚变能：

• 磁约束聚变 (MCF)： 这种方法使用强磁场来约束和控制等离子体。最常见的MCF装置是托卡马克，一种甜甜圈形状的反应堆。目前在法国建造的国际热核聚变实验反应堆 (ITER) 是一项重大的国际合作，旨在使用托卡马克方法验证聚变能的可行性。其他MCF概念包括仿星器和球形托卡马克。
• 惯性约束聚变 (ICF)： 这种方法使用高功率激光或粒子束来压缩和加热一小团聚变燃料，使其内爆并发生聚变。美国的国家点火装置 (NIF) 是一个主要的ICF设施。

聚变能的未来

聚变能是一个长期目标，但正在取得重大进展。ITER预计将在2030年代实现持续的聚变反应。私营公司也在大力投资聚变研究，探索创新的聚变能方法。如果成功，聚变能可能会彻底改变世界能源格局，为后代提供清洁和可持续的能源。

放射性与聚变：比较总结

| 特性 | 放射性 | 核聚变 | |-----------------|---------------------------------------------------|--------------------------------------------------| | 过程 | 不稳定核的自发衰变 | 轻核结合形成更重的核 | | 能量释放 | 单次事件能量释放相对较低 | 单次事件能量释放非常高 | | 产物 | α粒子、β粒子、γ射线等 | 氦、中子、能量 | | 燃料 | 不稳定同位素（如铀、钚） | 轻同位素（如氘、氚） | | 废料产物 | 放射性废料 | 主要是氦（非放射性） | | 应用 | 医学、年代测定、工业、核电 | 清洁能源生产的潜力 | | 安全问题 | 辐射暴露、核废料处理 | 等离子体约束、极端温度 |

全球视角与案例研究

世界各地的核能发电

依赖于核裂变（一个与放射性相关的过程）的核电站在世界许多国家运行。例如，法国大部分电力来自核能。其他拥有大量核电能力的国家包括美国、中国、俄罗斯和韩国。核电站的开发和运营受到国际原子能机构 (IAEA) 等组织监督的严格国际法规和安全标准的约束。

ITER：聚变能的全球合作

ITER是一个庞大的国际项目，参与的国家包括欧盟、美国、俄罗斯、中国、日本、韩国和印度。这种合作反映了全球对聚变能潜力的认可，以及为应对重大的科学和工程挑战而进行国际合作的必要性。

放射性废料管理：全球挑战

放射性废料的管理是一个全球性挑战，需要国际合作和开发长期储存解决方案。一些国家正在探索地质处置库，即设计用于安全储存放射性废料数千年的深层地下设施。例如，芬兰正在建造翁卡洛 (Onkalo) 乏核燃料处置库，预计将于2020年代开始运营。

结论

核物理，特别是放射性和核聚变，既带来了重大挑战，也带来了巨大机遇。放射性为医学、年代测定和工业提供了宝贵的工具，但也伴随着辐射暴露和核废料的风险。核聚变虽然仍处于研发阶段，但有望成为一种清洁、丰富和可持续的能源。持续的研究、国际合作和负责任的管理对于利用核物理的好处同时减轻其风险至关重要。能源和技术的未来很可能取决于我们释放原子核全部潜能的能力。

延伸阅读：

• 国际原子能机构 (IAEA): https://www.iaea.org/
• ITER组织: https://www.iter.org/
• 世界核能协会: https://www.world-nuclear.org/