能源是推动人类文明发展的重要物质基础，能源的获取及利用，使人类确立了其他物种都不具备的进化优势，某种程度上说，没有能源的推动，就没有人类文明的今天与未来。人类有史以来利用的绝大多数能源，从最早点燃火的木材，到现今广泛依赖的煤炭、石油等，皆源于太阳，而太阳的能量来自于其内部源源不断的核聚变反应释放的能量。《义务教育小学科学课程标准》要求学生“了解物质的基本性质，认识物体的运动、力的作用、能量、能量的不同形式及其相互转换”，“感受到物质科学对促进社会进步，提高人类生活质量的重要作用”。在中国科技馆，可以通过“挑战与未来”展厅的展品“裂变与聚变”认识和探索核能这种终极能源。

什么是能源

世界是由物质构成的，一切物质都具有能量。能量通过不同的表现形式被我们人类所知晓与利用，例如机械能、光能、热能、电能等，而且这些形式是可以相互转换的。为我们提供这些能量的物质，就是能源。能源的利用，其实就是能量的转化和传递的过程，如煤燃烧放热使蒸汽温度升高是化学能转化为蒸汽内能；高温蒸汽推动发电机运转发电是内能转化为机械能，又转化为电能；电能通过电动机转化为机械能，或者通过灯具转化为光能等。

既然能源是提供能量的物质，一切物质又都具有能量，是不是可以说一切物质皆可以做能源？逻辑上并没有错误，但存在一个问题，就是物质能量的利用，需要有相应的外部条件引发，并以其对应产出的能量数衡量。例如，岩石一样可以燃烧，为什么我们不用岩石取火？这里就需要引入一个概念，用来衡量物质能量的大小，那就是能量密度（Energy density）——是指在一定的体积或质量的物质中储存能量的大小。

为什么核能是终极能源

原子是构成物质的基本单位，原子核中蕴藏巨大的能量就是核能，当一种原子核发生变化时就会释放出其中的能量，可通过3种核反应释放：第1种是核裂变，较重的原子核分裂释放结核能；第2种是核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结核能；第3种是核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。裂变与聚变产生的核能，是已知物质中能量密度最大的，能够大到什么程度呢？通过表1可以直观感受到。

不过原子太小了，常规意义的显微镜都无法看到其形态，遑论人眼。但在中国科技馆，展品“裂变与聚变”应用机电互动与多媒体相结合的交互方式，以展台作为模拟反应的场所，推杆作为观众互动操作启动核反应条件，催动小球模拟中子或原子的运动，能够让参与者直观了解核裂变与核聚变的模拟演示过程，学习了解核能产生的科学原理。

图1  展品“裂变与聚变”展出效果图

核裂变与核聚变有什么不同

顾名思义，核裂变就是大质量的原子核分裂成比较小的原子核，核聚变就是小质量的原子核合成比较大的原子核，在这个变化过程中都会释放出巨大的能量，后者释放的能量更大。

核裂变展台中，当观众操作核裂变展台上的控制面板，面板上代表中子的小球开始滚动，模拟实际情况下中子的不定向运动，当撞击到屏幕中虚拟的一些质量非常大的原子核（例如铀、钍等）时，屏幕开始演示核裂变反应：一些大质量的原子核在吸收中子以后会分裂成2个或更多个质量较小的原子核，同时放出巨大的能量和2〜3个中子，释放出的高速中子又能使别的原子核接着发生核裂变⋯⋯过程持续进行下去，被称作链式反应。1克铀235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。

核聚变展台中，显示屏内零散分布氘、氚、氦3原子，并随机移动，观众推动显示器上方横向推杆，模拟挤压氘、氚、氦3，当推动推杆到达一定程度时，观众的手能感觉到明显的震动，意味着压力增大及温度升高到原子核难以避免相撞的条件，此时屏幕上核聚变反应开始：质量较小的原子核相互聚合，形成新的质量更重的原子核，同时为了平衡原子核内部的作用力，将多余的中子弹射出去，这一过程同时释放出巨大的能量，单位能量甚至高于裂变反应释放的能量，而这恰恰就是太阳发光发热的能量来源。

图2　核裂变反应示意图

图3　核聚变反应示意图

核能有什么用

核能最开始实现的应用是核武器，大家熟知的“两弹一星”，其中之一就是指的核弹，特别是科学家于敏先生创立的“于敏构型”，独步天下，使得我国成为世界上唯一可以长时间保有聚变核弹的国家。正是有了这一武装作为威慑，我们的国家和人民才有了相对安全与和平的生存发展空间。

除了在军事领域的应用外，当前世界上也在利用核裂变发电。核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，且成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如，1座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨，而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染，几乎是零排放。我国核电技术起步较晚，但也在积极推进，通过引进吸收逐渐走向技术突破，目前我国完全拥有知识产权的华龙一号三代核电技术，是全球唯一按照计划推进建设的三代压水堆核电工程。

与此同时，核能在农业育种、病虫害防治、医学诊断、放射性免疫及治疗等方面的应用也在不断提升与加强。我国已经有800多家医院开展了核医学诊断，包括体外诊断、体内诊断、治疗癌症病人及放射性免疫方法等。

核能是未来解决能源危机最重要、最本质的途径，能够在本质上解决人类社会发展与能源需求的矛盾。目前人类已经初步掌握一定程度上可控的核裂变反应，以及不受控制的核聚变，随着科学家的不懈努力和科学技术的不断进步，目前已研究出几种主要的可控制核聚变方式：超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克），但离完全控制核聚变还有很大差距。未来，当人类真正能够掌控核聚变的时候，会比百年前我们掌握电能应用时带来的变革更加巨大，到那个时候，星际航行、定居外星将不再是幻想，那时的人类回望我们现在的时代，或许差别会超过我们现在回看石器时代。■