——核分裂與核融合
高崇文∕中原大學物理系教授，研究領域為高能物理。
原子核也能被裂解：核分裂
核分裂（nuclear fission），是指由原子序數較大的原子核，如鈾（uranium, U）與鈽（plutonium, Pu）分裂成兩個或以上的原子序數較小原子核。核分裂是由邁特納（Lise Meitner）、哈恩（Otto Hahn）及弗里施（Otto Frisch）等科學家於 1938 年發現，而核分裂的發現過程其實充滿曲折離奇。
1934 年，義大利科學家費米（Enrico Fermi）認為利用慢中子撞擊釷（thorium, Th）與鈾所得到的具放射性物質，是原子序高於鈾的新元素。然而當時的德國女化學家諾達克（Ida Noddack）對此想法不以為然，她獨排眾議，認為該物質應是原子序低於鈾的元素，換言之，釷跟鈾元素是被裂解開來！不過由於慢中子傳遞到鈾元素的能量實在很低，難以想像釷與鈾居然能輕易被裂解，所以當時物理界對於諾達克的異議完全無法認同。雖然費米在 1938 年因為此研究而得到諾貝爾物理獎的肯定，但隨後居禮（Irène Joliot-Curie）卻發現這些超鈾元素的化學性質與週期表的預測完全不吻合，著實讓科學家們傷透了腦筋。最後還是由奧地利女物理學家邁特納找到了答案。
解答核分裂機制
邁特納是出身於奧地利維也納的女科學家，1933 年時，因身為猶太人而使她喪失在德國柏林擔任教授的資格。而當 1938 年奧地利被德國吞併後，她更被迫逃亡到瑞典，在諾貝爾研究所（Nobel Institute）繼續她的研究工作。
同年 11 月，德國物理學家哈恩與邁特納在丹麥哥本哈根會面後，回到柏林與助手史特曼（Fritz Strassman）進行實驗，確認鈾被慢中子轟擊後，的確會裂解成鋇（barium, Ba）和鎝（technetium, Tc），而且此過程的產物質量總和小於原先鈾的質量！對實驗結果到不解的哈恩，曾寫信給邁特納，表達自己的疑惑。
後來，邁特納和她的姪子弗里施利用波耳（Niels Bohr）的原子核液滴模型（liquid drop model）進行計算，發現當中子撞擊鈾-235 的原子核後，原子核內部在吸收中子的能量後產生劇烈的啞鈴狀震盪，導致原子核結構會因震盪過大而瓦解，產生出兩個質量較小的原子核，並釋放出 2～3 個新的中子（圖一）。裂解後的兩個原子核總質量小於最初的鈾原子核，此微小的質量差變成了能量。當邁特納透過愛因斯坦的質能轉換方程式 E=mc2，計算出每個裂變過程中原子核會釋放 2 億電子伏特（eV），相當於 3.24×10-11 焦耳的能量。
▲圖一：核分裂過程。鈾-235 被中子撞擊後，因吸收一個中子，轉變為鈾-236，後續鈾–236 分裂為兩個較小的原子核：氪-92（krypton-92）、鋇-141（barium-141）及三個中子。下方為核分裂的反應式。
據說當波耳得知此結果後感嘆道：「啊，我們真蠢啊。」而 1939 年邁特納和弗里施共同發表的論文《中子導致的鈾的裂體：一種新的核反應》（Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction），首次提出核分裂的理論基礎。弗里施將此現象命名為核分裂（fission），而哈恩也因為發現核分裂現象，三人共同獲得 1944 年度的諾貝爾化學獎（1945 年頒發）。
核分裂產生強大能量的來源：核連鎖反應
事實上，單一個核分裂過程並不會釋放大量的能量。核分裂之所以能夠釋放巨大的能量，其實是仰賴 1933 年由匈牙利核物理學家西拉德（Leo Szilard）構想提出的核重核原子足夠多，將會瞬間釋放大量的能量，原子彈便是應用核分裂的這種特性。
可以產生核連鎖反應的化學元素同位素稱為核燃料，其中最重要的是鈾-235 及鈽-239。尤其鈽可以與其他物質以化學手法進行分離，相比鈾-235 必須使用物理手法從鈾-238 中分離的方法來得便宜許多，所以曼哈頓計畫（Manhattan Project）中，除了鈾-235 以外，也會採用鈽當作原子彈的原料。二次世界大戰末期，由於當時美國的濃縮鈾只足夠製造一枚鈾核彈，因此只有投放於廣島的「小男孩（Little Boy）」原子彈是利用鈾-235 製造；至於 1945 年 7 月的第一次核試驗代號「三位一體（Trinity）」中使用的「小玩意（Gadget）」原子彈及投擲到長崎市的「胖子（Fat Man）」原子彈，則都是使用鈽作為內核。
▲圖二：核連鎖反應。鈾-235 被中子撞擊後吸收中子，分裂成兩個較小的原子後，再釋放出三個中子。其中一個中子被鈾-238 吸收後不再進行反應；另外一個中子則沒有碰到任何原子，也同樣不再反應；最後一個中子則再撞擊另一個鈾-235，並持續重複此連鎖反應。
不只能做武器，核分裂也可以用來發電
戰後科學家開始發展核能發電。核能發電是將核分裂產物的動能轉換為熱能，再加熱工作流體驅動熱機，進而產生機械能或是電能。至於核能發電應用中所使用的核燃料中，鈾-235 的含量通常很低，大約只有 3～5％，因此不會產生核爆註 1。但核電廠仍需要對反應爐中的中子數量加以控制，以防止功率過高造成爐心熔毀的事故。讀者耳熟能詳的三哩島核泄露事故（Three Mile Island accident）、車諾比核事故（Chernobyl disaster）與福島第一核電廠事故（Fukushima Daiichi nuclear disaster）都是爐心熔毀所造成。
核能發電另一個棘手的問題是核廢料，特別是使用過後的核燃料，因具有放射性，如果不加以妥善處理，會嚴重影響環境與人體健康。核廢料除了放射性問題之外，核反應爐產生的用過核燃料（spent nuclear fuel）中，大約 1％ 是鈽元素，當中又有約三分之二是鈽-239。由於鈽是一種放射性毒物，因此在操作及處理過程中都具有一定的危險性。所以核能發電廠核廢料的清除及冷戰期間所打造的核武建設等，在核武裁減後都延伸出日後的核武擴散及環境等問題，這也是傳統核分裂發電方式逐漸不再受歡迎的原因。
原子也能像積木拼裝組合：核融合反應
除了核分裂，其實還有一個能夠釋放巨大能量的核反應：核融合（Nuclear Fussion）。核融合是指將兩個較輕的原子核結合而形成一個較重的原子核。兩個輕的原子核雖然都帶正電荷而彼此排斥，但當兩個能量夠高的原子核迎面相遇時，它們就能相當緊密地聚集在一起，其中的強作用力（strong interaction）能夠克服庫侖斥力聚合成一個較重的原子核。舉例來說，兩個氚（tritium, T）原子（由一個質子與一個中子所組成）在高溫高壓的條件下，會生成一個氦 3（由兩個質子與一個中子所組成）與一個中子，並伴隨著巨大的能量釋放。當重核質量比反應前的輕核質量總和小時，會根據 E=mc2 釋放出巨大的能量。
英國科學家愛丁頓（Sir Arthur Eddington）在 1920 年代主張：質子融合成重核是太陽及其它恆星燃燒時產生的能量來源。但當時太陽的溫度被認為太低，並不足以克服庫侖障壁（Coulomb barrier）註 2。而直到量子力學發展之後，發現質子可以經由波函數的量子穿隧效應（quantum tunnelling eect），穿過排斥障礙，可以在比傳統預測較低的溫度下進行融合反應。但是質子—質子鏈（Proton-Proton chain，圖三）的完整過程一直要等到 1939 年，才由德國科學家貝斯（Hans Bethe）才勾勒出全貌，貝斯後來因為這項成就獲得 1967 年諾貝爾物理獎。
▲圖三：質子—質子鏈反應。首先由 2 個氫原子融合為氘，1 個質子釋放出 1 個正電子和 1 個微中子，再成為中子，氘再和另一個氫原子合成氦同位素氦-3，最後再與另一個氦-3 形成氦同位素氦-4。
核融合反應如何進行？
如果要進行核融合反應，首先必須使原子核和電子分開，處於此狀態的物質稱為電漿（plasma）。由於電漿會快速飛散開來的特性，所以必須先將其「閉鎖（confinement）」。使電漿閉鎖的方法有許多種，太陽內部是藉著巨大重力使電漿封閉，而在地球上則必須採取別的方法，例如利用磁場。當電漿帶電時，電荷會被捲在磁力線上，因此只要製造出磁場，就能夠將電漿閉鎖，使它們懸浮在真空中。
另一個閉鎖的方法稱為慣性閉鎖（inertial confinement，圖四），此概念是在極短時間內，將多束高能量的脈衝雷射，同時照射在由氘（deuterium, D）與氚混和製成的固態球狀核燃料上。當雷射照射在燃料層的外層時，將燃料球外層加熱成電漿，並產生爆裂。根據牛頓第三運動定律，外層爆炸的反作用力，形成震波向內傳播，造成內爆，壓迫內部的氘與氚形成高壓高溫，再誘發核融合反應。
▲圖四：慣性閉鎖反應。第一階段以雷射光束（藍色箭頭）快速加熱核燃料的表面，在周圍形成電漿；第二階段為核燃料因表面爆裂（橘色箭頭）產生向內的反作用力（紫色箭頭）而遭到擠壓；第三階段是當燃料核的密度為鉛的 20 倍，且溫度到達一億℃；最後一階段則為壓縮後的核燃料產生的熱量快速向外放射，產生的能量是雷射光束打在核燃料上的數倍。
核融合研究所面臨的難關與未來
核融合靠的是核子之間的強作用力。雖然強作用力是一種非常強大的力量，但是所及的範圍卻僅止於 10-10～10-13 公尺左右，質子和中子必須接近至此範圍時，強作用力才會發揮作用，發生核融合反應。由於原子核帶正電，彼此會相互排斥，因此很難使原子核接近彼此。若要克服其相斥的力量，就必須適當控制電漿的溫度、密度和閉鎖時間，三項條件缺一不可。溫度越高、密度越大，閉鎖的時間越長，彼此接近的機會越大。但是要創造出這樣的環境往往需要耗費巨大的能量，而且極難控制，所以遲遲無法達到商業化的目標。
人類從上個世紀 50 年代就開始認真研究發展商用的受控熱核融合。在經過 60 多年的嘗試後，迄今最有希望的是由美國採用雷射閉鎖的國家點火裝置（National Ignition Facility, NIF）與位於歐洲採用磁閉鎖的國際熱核融合實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）。時至今日雖然尚未達標，不過科學的發展日新月異，也許有朝一日，人們可以見證到商業化的核融合發電呢。
註 1：根據國際原子能機構（International Atomic Energy Agency, IAEA）的定義，濃度低於 20％ 的鈾-235 為低濃縮鈾（核電廠發電使用的濃度為 3～5％），20～85％ 稱作高濃縮鈾，大於 85％ 則為武器級高濃縮鈾。
註 2：庫侖障壁是指兩原子核在接近至可進行核融合時，所需克服的能量障礙。
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本文轉載自《科學月刊》2020 年 3 月號
