原子能的和平用途
令人无法想象的毁灭性原子弹所呈现的威力，使得这些科学家们在世人心目中成为怪物，如此描述这些科学家们并不是没有道理的，因为这些科学家们在一开始就已经了解原子能的毁灭力，而且也知道这些毁灭力可能被用来制造原子弹，但他们却坦然制造出原子弹来。
我们只能公平地说，这些科学家在第二次大战时，为了抵抗残忍的敌人，而且害怕像希特勒那样疯狂的人会先得到原子弹，因而才投入研究原子弹的工作。此外，科学家们在研究原子弹的整个过程中，感到十分困扰，甚至有许多人反对使用原子弹，而有些人事后不再从事原子核物理的研究，留下很大的遗憾。
1945年，一批科学家在诺贝尔奖获得者弗兰克的领导下，向美军参谋本部提出请愿，表示反对向日本城市投掷原子弹，并且正确地预测使用原子弹会造成核危险的困境。但是这些理由似乎没有刺痛军政领袖们的良心，他们仍然做出了使用原子弹的决定，由于某些理由，这些军政领袖被许多人视为“爱国者”，而科学家们反而被这些人视为怪物。
我们不能忽视一个事实，科学家找到释放原子核能的方法，而原子核能到底是用于建设还是用于破坏则完全由人类自己去决定。必须强调的是，像美国这种有强烈卢梭主义传统的国家，认为读书不应该成为破坏人类善良本性的途径，因此世界上有核毁灭的威胁存在，就足以使科学家和科学界蒙羞。
然而原子弹爆炸并不一定要全用在摧毁上，像爆炸力较小的化学炸药，长久以来被用于采矿、建水坝及造公路等工程上，原子弹的爆炸力也可能对建设计划有所帮助。人们提出如下利用原子弹爆炸力的构想：用于挖掘港口、开凿隧道、炸毁岩层，以热能发电，甚至用于宇宙飞船的推动力。然而在20世纪60年代，这些希望都破灭了，由于辐射污染的危险及昂贵的费用，使得这些希望不能实现。
然而设在芝加哥大学足球场内的反应堆，提供了核能用于建设的榜样。良好控制的反应堆能够产生大量的热能，这些热由冷却剂带出，冷却剂可以是水或是熔融的金属，而这些被带出的热可以用于发电或空调（图10-4）
图10-4 气冷式核电厂、此图为其概要设计，反应堆中的热传导给某种气体，而此气体可能是一种金属蒸气。由此高温金属蒸气再将热传导给水，水加热后变成水蒸气，此时就可以利用水蒸气来推动涡轮发电机了
核动力船和潜艇
发电用的反应堆在第二次世界大战后的数年内分别在美国及英国建成。现在美国已拥有100艘以上的核动力潜艇。其中第一艘鹦鹉螺号花费5000万美元，在1954年1月下水。这艘潜艇的发动机使用核能，它的重要性就如同富尔顿的汽船克里门号对富尔顿那个时代的重要性一样。由于发动机使用核能作动力，所以此核动力潜艇可以停留在水底一段很长的时间。然而一般潜艇，由于其柴油发动机必须有空气才能工作，并且要为蓄电池充电，所以必需经常浮出水面以补充其发动机所需的空气。一般潜艇的时速只有8海里，而核动力潜艇的时速则可高达20海里以上。
鹦鹉螺号上的反应堆堆芯持续使用了10万余公里（62500海里）（包括潜航北极海的航程在内）。1958年鹦鹉螺号在潜航北极海的旅途中，发现北极海底的深度是4000米（13410英尺），比从前想象的深度深得多。其中第二艘更大的核动力潜艇海神号，在1960年2月至5月，以84天的时间，循当年麦哲伦绕行地球一周的路线，以潜航的方式绕地球一周。
现在苏联也拥有核动力潜艇，而苏联第一艘核动力水面船是一艘破冰船，即列宁号，于1957年12月下水。在此前不久，美国也刚安置了一艘核动力水面船的龙骨。1959年7月，美国的两艘核动力水面船长堤号（巡洋舰）和草原号（商船）正式下水，其中长堤号是由两座反应堆推动的。
美国在其第一艘核动力船下水不到10年的时间里，有4艘核动力水面船正在使用、制造或准备制造。然而，除了核动力潜艇之外，制造核动力水面船的热忱却在减退，草原号每年所花的费用高达300万美元，所以它在1967年经过8年的航海生涯后就退役了。
核电厂
核能并不是只有军事上的用途，而第一座用于发电的反应堆于1954年6月在苏联首先启用。这是一座小型的核电厂，总容量不超过5000千瓦。1956年10月英国的卡德侯核电厂开始运转，其容量超过50000千瓦。美国是世界上第三个拥有核电厂的国家，1958年5月26日西屋公司在宾夕法尼亚州希平波特这个地方完成了一座小型的反应堆，这个反应堆用于发电，其容量大约60000千瓦。此后其他国家的核电厂也相继诞生。
仅在此后10年多一点的时间里，就有12个国家拥有反应堆。美国将近一半的电力来自核能。1965年4月3日，一枚发射到太空中的卫星甚至是由小型反应堆供应电力。然而放射性污染则是一个严重的问题，因此在20世纪70年代公众对核电厂的激增表示了愈来愈强烈的反对立场。
1979年3月28日，在海里森堡附近萨斯奎哈纳河中的三哩岛上，发生了美国历史上最严重的核事故。事实上并没有散出大量的放射性物质，因此对人体并没有危险，虽然如此，仍然引起了数天的恐慌。三哩岛的反应堆目前已被无限期停止运转，而清除的工作却是非常昂贵并且需要很长的时间。
然而最大的受害者是核能工业。反核情绪的浪潮席卷了美国，也席卷了其他各国。在美国，新的反应堆能够运行的机会愈来愈渺小了。
三哩岛事件使美国人了解到，核污染即使发生的概率并不大，结果也是非常可怕的。在此事件后，似乎更加强了人们反对核武器的意识，这种情形对任何一个有理性的人来说或许是一个好的结果。
虽然如此，原子能的和平用途仍然不能放弃，因为人类需要大量能源。在本章前面已经指明，我们不可能长久依赖化石能源，也不能期望将来由太阳能取代大部分的能源，但是似乎很少有人指出，在适当的安全措施下，原子能并不比化石能源危险（在某些特别的辐射污染方面，人们必须了解，煤也含有某些微量的放射性不纯物，燃烧时会释放出比核电厂更多的放射性物质到大气中——至少人们是这样争议的）。
增殖反应堆
假如只考虑利用核裂变的能量来当作我们的能源，那我们能使用多久呢？假如我们完全依赖可裂变的铀-235来当作我们的能源，那也不能维持很久的时间。但是非常幸运的是，我们可以利用铀-235来产生其他可裂变的能源。
我们知道钚是人造的核燃料。假如我们建造了一个小型反应堆，用浓缩铀作燃料，在其外包上一层天然铀，不加入慢化剂，于是铀-235裂变所产生的快中子会打入外层的铀-238中。假设大部分的中子都能轰击到铀-238，则每一次铀-235的裂变都能在外层产生1个或1个以上的钚原子，因此我们所增殖出的核燃料比所消耗掉的更多。
1951年，第一座增殖反应堆在加拿大血统的美国物理学家津恩的指导下于爱达荷州的阿尔科建成。这座反应堆被称为EBR-1（一号实验性增殖反应堆）。除了证明增殖的可行性外，也同时证明它具有发电的功能，这座反应堆在1964年由于过于陈旧而不再使用。
通过增殖可从铀中增加核燃料的供应，最普通的铀的同位素铀-238成为有潜力的核燃料。
钍也是一种很有潜力的裂变性燃料。在自然界中，钍全部以钍-232的形式存在，在吸收快中子之后，钍-232马上转换成人工同位素钍-233，钍-233又立刻衰变成铀-233。铀-233吸收慢中子而裂变，并且可以维持自身链式反应，因此钍也可用于核燃料。在地球上，钍的含量约为铀的5倍，事实上地球表层数百米深的泥土中，平均每一平方公里含有4600吨的钍和铀，当然这些钍和铀并不是很容易就可以加以利用的。
一般而言，由钍和铀中得到的能量，大约为现存煤及石油的20倍。
然而人们对增殖反应堆会造成污染的忧虑要比对一般反应堆大得多，因为钍比铀更危险，而在增殖反应的过程中将会产生大量的钚，而且有人认为钚是世界上最有毒的物质，假如钚进入我们的环境中，那将是无法挽救的大灾难。人们也忧虑用于和平用途的钚，有可能被劫夺或被偷走，而用于制造原子弹或是用来从事敲诈及勒索。
这些忧虑或许被夸大了，然而这些忧虑都是有理由的，不仅意外事件或偷窃令人忧虑，就算反应堆在运行时没有意外的情况，也存有几分危险性。为了能了解这个理由，让我们来谈谈放射性及高能辐射。
辐射的危险
地球上的生物一直暴露于自然放射性及宇宙射线的照射之下，然而实验室中产生的X射线以及地壳内痕量的放射性物质，例如镭，也增加了对人类生命的威胁。一些早期研究X射线及镭的工作者接受了致死剂量，如居里夫人及其女儿I.约里奥-居里都因接受了过量的放射性物质而死于白血病。还有一个有名的例子，20世纪20年代一些给表面涂夜光的人，常用嘴把顶端含有镭的笔弄尖，结果也死于放射性所引起的病症。
由于X射线的使用率增加，在最近几十年中，白血病有增加的趋势。医生比较容易暴露在X光的照射下，因此医生得白血病的可能性为一般人的2倍，而专门研究如何应用X射线的放射科，其工作人员得白血病的可能性更高，为一般人的10倍。因此人们想去寻找能取代X射线的其他技术，例如超声波技术就是其中之一。核裂变的到来给这种危险增添了新的力量。无论是原子弹或是核电厂，释出放射性物质的规模，会使整个大气、海洋、我们的饮食或呼吸的空气污染，对人类生命造成越来越大的威胁。核裂变已成为污染的一种形式，它需要人们以智慧加以控制。
铀及钚的原子核裂变后，它们的裂变产物有许多种，这些碎片可能包括钡和锝的同位素或其他物质。全部算起来，大概可以识别出200种不同的放射性裂变产物。这些裂变产物很令人头痛，因为其中某些物质强烈地吸收中子，以致裂变反应不能顺利进行，所以反应堆中的燃料必须定期移出，并且加以纯化。
再者，裂变后的碎片由于辐射的能量和性质的不同，在不同程度上对人体都有害处，例如α射线比β射线对人体的危害更大。原子核衰变速率也是很重要的因素，衰变速率快的原子核比衰变速率慢的原子核在每秒或每小时之内轰击接受者的次数更多。
只有大量的放射性原子核聚集在一起的时候，才能谈得上衰变率。单个的原子核可以在任何时候衰变，可能一瞬间就衰变，也可能到10亿年之后才衰变，或者在10亿年间的任何时候衰变。但是每一种放射性物质都有自己的平均衰变率，所以当大量的原子核在一起时，我们就能很准确地预测在单位时间内有多少原子核进行衰变。假设我们实验一种会衰变的X原子，这种X原子每年衰变其中的1/2，则原有1000个X原子，在一年之后只剩下500个，再一年后剩下250个。如此类推，第三年后剩下125个原子。而对具有放射性的原子核而言，衰减其中一半原子核所需的时间叫做半衰期，这名称在1904年由卢瑟福所提出，因此X原子的半衰期是一年。在一般的情形之下，半衰期是不会改变的。只有在星球内部，因为温度很高，有其他高能粒子撞击原子核，才会改变它的半衰期。
铀-238的半衰期是45亿年，这就是为什么铀-238虽不断衰变，但到现在地球上仍存有铀-238的原因。简单的计算即可显示出，经过大约半衰期的6倍时间后，铀-238的原子核就会只剩下原有的1%，所以现在地壳中每吨铀-238在300亿年之后仍有0.9公斤存在。
虽然同位素有相同的化学性质，但是核反应的特征却完全不相同。例如，铀-235衰变率是铀-238的6倍，铀-235的半衰期只有7.1亿年，所以数亿年前铀-235的量要比今天多，这也是现在世界上铀-238的量远比铀-235丰富的原因。根据估计，60亿年前地球上铀-235的量占所有铀量的70%，所以说人类只赶上铀-235存在时间的末期。然而就算人类晚100万年才发现核裂变，那时地球上仍有现今铀-235的99.9%。
半衰期少于1亿年的原子核，在地球长远的年代里已经完全衰变了，因此现今在自然界中再也找不到钚的踪迹，钚的同位素中钚-244有最长的半衰期，但钚-244的半衰期也只有7000万年。
铀和钍等半衰期较长的放射性元素，以稀薄的浓度散布于地壳中的石块及泥土内，因此在空气中仍有微量的放射性。人类本身也有微量的放射性，因为在人体的组织中存有不安定的钾-40同位素，钾-40的半衰期是13亿年。钾-40衰变后会生成氩-40，而氩-40可能就是因此种衰变过程而成为地球上最普通的惰性气体，因此钾-40及氩-40的比值可以用来测定陨石的年龄。
碳也有放射性同位素碳-14，然而碳-14的半衰期只有5770年。由于半衰期非常短，照理来说碳-14不应存在于现在的地球上。但是，由于宇宙射线粒子不停地轰击地球大气的氮原子，因此碳-14同位素可以不断地被产生出来。结果大气中总是存在着微量的碳-14。有些碳-14会成为大气中的二氧化碳，由于二氧化碳可以被植物吸收，所以碳-14就进入植物组织中，进而散布至动物体内，连人也不例外。
碳-14在人体内的总量比钾-40要少得多；但是碳-14有较短的半衰期，其衰变率要比钾-40大很多。因此在同一时间内，人体中碳-14的衰变总次数约为钾-40的1/6。然而有一些碳-14是存在于人体的基因内，假如这些碳-14发生衰变，对细胞就会有很深远的影响，而钾-40的衰变就不会发生这种情形。
就是因为这个理由，碳-14是人体中最具有意义的放射性元素。碳-14引起基因改变的可能性，在1955年由俄国血统的美国科学家阿西莫夫（生物化学家）所提出。
许多种天然的放射性原子核及放射线（如宇宙射线及γ射线）构成了本底辐射。持续性地暴露于本底辐射中，可能是进化中基因突变的原因之一，当然自然辐射也要为癌症的产生负部分责任。虽然生物在自然辐射中生活好几亿年，但核辐射却因镭的实验及核反应堆的产生而在我们这一代中造成严重的灾祸。
在曼哈顿计划实行之前，物理学家从痛苦的经验中了解到辐射的危险。曼哈顿计划的工作者都接受了良好的防护措施，那些刚裂变的产物和有放射性的物质，都被置于厚厚的屏蔽墙内，人们只能透过铅玻璃才能观看那些物质。
操作这些物质都采用机械遥控法，每一个人都必须带着照相胶片或其他探测仪器，用来监控所接受的累计剂量。经一连串的动物实验能够估算出最大辐射容许剂量。哺乳类比其他的生物对放射性要敏感，但对最大辐射容许剂量以下的辐射仍有抵抗能力。
虽然有好的防护措施，仍有一些原子物理学家死于过量辐射所引起的放射病。其实，纵使是最安全的工作，也有风险。由于我们对灾难了解并采取预防措施，核能工作者已比从前更安全了。
现在世界上到处都有核动力堆，它所产生出来的废料是以吨和千吨来计算的，这些核废料到底要如何处理呢？
大多数的废料是短寿命的放射性物质，当放置数周或数月后就会成为无害的物质。这些短寿命的放射性废料，在储存一段时间后就可倾卸掉。然而最危险的物质是半衰期由1～30年不等的核素，因为短寿命核素可以放出强的辐射，而长寿命核素对好几代人都有危害。半衰期为30年的核素，需要两个世纪才能失去其99%的放射性。
核裂变产物的利用
核裂变产物可以很好地加以利用。作为能源，它可供给小型的设备或仪器以动力。由于放射性同位素所发射粒子的能量可以转换成热，因此可以借热电偶将热转换成电，以这种方式产生电的电池通常称为核辅助电力系统，或者称为原子电池或核电池。这种原子电池只有1.8公斤重，却可发生60瓦的电力，并且可以持续数年之久。原子电池已用于人造卫星，例如，1961年美国发射的两颗人造卫星，即子午仪4A号与子午仪4B号。
在原子电池中最常用的同位素是锶-90，锶-90在下一节中再提到，而钚和锔也常被用到。
登月宇航员在月球上放置了这样的原子电池。这些电池供应一连串实验设备和无线电通信所需的电力。这些电池正常地工作了许多年。
核裂变产物在医学上也有许多用途，例如可用于治疗癌症，可用于杀死细菌以保存食物。在工业上也有许多用处，以化学工业为例，赫刺克勒斯火药公司设计了一个反应器，用放射线来制造抗冻剂乙二醇。
虽然上面说了一些裂变产物的用途，但是反应堆释放的裂变产物中只有一小部分能被再利用，这表示原子能发电有一个很大的困难。根据估计，原子能每发出20万千瓦的电力，将产生680克的核废料。如何处理这些核废料呢？美国在地底下已储存了数百万加仑的放射性液体废料，到2000年，估计每天将有50万加仑的放射性液体必须加以处理。美国和英国的做法是将此种废料固封于混凝土容器中并倾倒于海里，过去就有人提议将废料置于深海的海沟中，或置于废弃的矿坑内，或固封于玻璃体中再埋入地下，但人们仍然担心万一这些核废料从容器中泄漏出来将会污染海洋及土壤。另一项令人忧虑的是核动力船只可能在被破坏后泄出它累积的核废料。1963年4月10日美国一艘核动力潜艇长尾鲛号在北大西洋沉没，当时人们担心放射性物质将会泄于海上，还好这种情形并没有发生，也没有任何核污染产生。
放射性沉降物
虽然原子能的和平用途仍有放射性污染，至少这些污染能被很成功地以各种方法加以控制，但是由原子弹爆炸所造成的放射性沉降物就无法加以控制，而会造成全世界的污染。
纵使不发生核战争，原子弹爆炸也产生放射性沉降物。任何一个国家在大气中进行核试爆都会被测出来，因为放射性沉降物借风可以被带至全世界，经由雨水而降落至地面。发生核战争时，最后放射性沉降物对生物所造成的伤害将远比被攻击所受的灾害要严重。
放射性沉降物可以分成三种型式：当地型，对流层型，平流层型。当地型放射性沉降物是由于原子弹在地表爆炸后，放射性同位素由强风带至方圆160公里内的地方被泥土吸收。千吨级的原子弹所造成的强风可将裂变产物带入对流层，这些放射性沉降物可停留在对流层中约一个月之久，在这一个月中，由于风的缘故，可向东方移动数千公里。
由超级热核弹所造成的大量放射性物质可以到达平流层，这样的平流层型放射性沉降物将在一年之内散布于半个地球，亦即将同时落在攻击者和被攻击者的土地上。
1954年3月1日，美国在太平洋试爆一枚氢弹，结果造成强烈的放射性沉降物，科学家们对此都大吃一惊，他们没想到来自氢弹的放射性沉降物如此“脏”，多达18000平方公里（7000平方海里）的区域被严重污染，约相当于马萨诸塞州的大小。后来科学家们了解到，聚变核心是由铀-238包围的，铀-238经中子轰击而裂变。这种氢弹，不仅威力强，而且产生的云雾中也含有大量的放射性物质，其污染性远比落在广岛的那枚原子弹严重。
由原子弹试验所产生的放射性沉降物，迄今只增加了小量的自然背底，但是即使辐射比自然背底小量地增高，也可能提高癌症发生率，产生遗传上的损害并减少平均寿命。放射性沉降物至少也会增加突变率（参看第十三章 有关突变的讨论），给后代累积下大量的麻烦。
在放射性沉降物中有一种放射性物质锶-90（半衰期为28年）对人体特别危险，而锶-90却是原子电池的重要动力来源。锶-90落入泥土和水中被植物吸收后，再进入直接或间接地以植物为食的动物（包括人）体内。因为锶-90的化学性质和钙相近，并且能进入骨骼中停留很长的一段时间，因此锶-90对人非常危险。因为骨骼中矿物的转换不像身体其他组织那么快，所以锶-90一旦被吸收后，几乎一生的时间都会停留在体内（图10-5）。
图10-5 锶-90在大约200年时间里的衰变
锶-90是我们环境中的一种新物质。在科学家裂变铀原子以前，地球上几乎没有锶-90的存在，但是迄今不到30年，锶-90已进入每一个人的骨骼中和所有的脊椎动物体内，另外，相当大量的锶-90仍悬浮在平流层中，这些锶也迟早会进入人体的骨骼内。
锶-90的浓度是以锶单位来表示的，体内每克钙中含有1微微居里的锶-90称为1锶单位。居里是放射性活度的单位，1居里表示1克镭及其裂变产物氡处于平衡状态时的情形。更简单地说，1居里是每秒370亿次衰变，而1微微居里就是平均每分钟有2.12次衰变。因此1锶单位表示体内每克钙中每分钟有2.12次衰变。
人体骨骼内锶-90的含量因人因地而有很大的差异，有些人锶-90的含量是人类平均值的75倍。儿童由于骨骼成长的原因，锶-90的平均含量至少是成人的4倍。因为锶-90含量的探测是以饮食中的含量为准，因此在计算平均值时，本身就有很大的变化。来自蔬菜中的钙比牛乳中的钙含有更多的锶-90，因为乳牛吸收了来自牧草的锶-90，由此得知，牛奶并非特别危险的食品。
在1959年禁止大气核试爆以前，美国人骨骼中锶-90的含量从不到1个锶单位到5个锶单位不等，而国际辐射防护委员会认为，67锶单位是锶-90的最大容许含量，但是这些平均值似乎没有什么意义，因为锶-90可能集中在骨骼中的某些热点，当这些点的锶-90含量达到高水平时，就可能引起坏血症或癌症。
由于辐射的影响相当重要，因此人们采用了一些单位来计算这些影响。伦琴就是其中之一，这个名称是为了纪念X射线的发现者伦琴而命名的，当做单位用时则表示由X射线或γ射线所产生的离子数目。最近拉德这个单位也开始使用，每克放射性物质放出100尔格的能量而被其他物质吸收就叫1拉德。
辐射的性质是重要的，1拉德重粒子引起组织的化学变化，远比1拉德轻粒子有效。所以就同能量的α粒子及电子来说，α粒子要远比电子危险。
在化学上，由辐射所造成的损伤，其主要原因是水分子经放射性照射后分解成活性极强的自由基，而且水是生物组织中最主要的构成物，这些自由基和组织中复杂的分子产生反应后造成骨髓的伤害，阻碍血细胞的制造。这种对骨髓的伤害就是放射病，假如过于严重，骨髓无法恢复功能就会导致死亡。
许多著名的科学家认为，核试爆所生成的放射性沉降物是对人类生存最严重的灾害。美国著名的化学家泡令认为，一枚核弹的放射性沉降物会使世界上10万人死于坏血症及其他疾病。他指出，由核爆炸中子所产生的碳-14，会造成遗传上的严重危险，因此他积极促请停止核试爆，也尽所有的努力以减少战争的危险并敦促裁军。另一些科学家包括匈牙利血统的美国物理学家泰勒却认为，核爆后的放射性沉降物并没有想象的那么严重。1963年泡令获诺贝尔奖，因此可知世人或许比较同意泡令的说法。
1958年冬天，美国、英国和苏联签订了一项君子协定，暂停大气核试爆。虽然如此，并没有阻止1960年法国的第一次大气核试爆。在此后的3年内，情形似乎非常乐观；至1960年锶-90的浓度已达最高点，但其浓度仍在安全许可浓度以下。在这13年中，共有150枚原子弹爆炸，这些核试爆释放出2500万居里的锶-90和铯-137（另一种有害的裂变产物）。这些核弹中，虽然只有2枚用于战争，但已造成极大的灾害。
1961年，苏联在没有告知美、英两国的情形下，破坏了1958年的协议，再次进行核试爆。由于苏联试爆的热核弹，其威力之强前所未见，美国在此情势下被迫再进行核试爆。世界的舆论因此针对禁止核试爆协议的破坏大加挞伐，表示了极端的愤怒。
1963年10月10日，三个主要的核大国签订了部分限制核武器试爆的条约（非君子协定），条约中禁止采用大气试爆、太空试爆及水中试爆，只有地下核试爆才被允许，因为地下核试爆不会产生放射性沉降物。这是自原子能时代开始以来挽救人类生存最有希望的一项提案。
受控核聚变反应
30多年以来，核物理学家一直梦想着受控核聚变，并利用其能量。核聚变所产生的能量，终究是我们这个世界生生不息的动力，太阳上的核聚变反应，正是各种生命所需能量的主要来源假如在地球上能制造核聚变反应并加以控制，所有的能源问题都能解决；而且由于核聚变的原料是氢，所以核聚变所需的原料会像大海一样取之不尽。
事实上，氢并不是第一次被人类当作燃料，在氢被发现及研究后不久，它就成为一种化学燃料，而且美国科学家黑尔早在1801年就设计了氢氧焰，此后氢在氧中燃烧所产生的高温火焰一直被工业界使用。
液态氢是火箭中非常重要的燃料。有人甚至建议将液态氢用做一种清洁的燃料，他们建议将液态氢用于发电及作为交通工具的动力来源（虽然如此，氢氧在空气中却极易爆炸）。但是，将氢当作核聚变的原料，这是它将来最了不起的用途。
核聚变产生的能源比核裂变产生的能源便于利用，就相等的质量来说，核聚变反应比核裂变反应多释出4～9倍的能量。0.45公斤的氢经核聚变后能产生3500万千瓦小时的能量，而且核聚变所需的氢同位素能从海洋中大量轻易地取得，而核裂变所需的铀矿和钍矿，其提炼却是一项困难的工作。另外，核聚变所产生的中子及氢-3同位素，也不像核裂变产物那样危险。最后也是最重要的，即假如发生意外，核聚变反应会减弱，然后停止，而核裂变反应却无法加以控制，甚至可能使反应堆中的铀熔化，而释出危险的放射性物质（但到目前为止尚未发生过这种情况）。
假如受控核聚变反应在将来可以付诸实行，那么核聚变原料将不虞缺乏，而被聚变反应释出的能量也足可供应地球数十亿年的需要（几乎和地球的寿命同长）。惟一可能的危险性是热污染，因为核聚变反应所排出的废热，加上由空间进入地球的辐射能，会使地球的温度稍微上升，造成类似温室效应的结果。在地球上，任何异于太阳能的其他能源，如要加以利用，事实上都有发热的问题。将来在空间站上的太阳能电厂，也会使自然热吸收量增加，因此人们必须限制自己能源的使用或者找出从地球上排热至空间的方法，使从地球向空间的排热比自然排热速率稍快一些。
然而上面的论点都是基于理论上的讨论，只有在实验室中能对核聚变反应加以控制才能将其运用于商业上。但是经过了30年的努力，我们仍然无法达到这一目标。
氢的三种同位素中，氢-1是最常见到的，但却是最难核聚变的。氢-1也是太阳上特殊的核聚变原料，因为太阳有数十兆立方海里的体积，其强大的引力使得氢-1聚集在一起；由于其中心温度高达数百万度，因此氢-1可在太阳上进行核聚变反应。太阳有大量的氢-1，但在给定时间只有极小部分的氢-1在进行核聚变反应，其实只要有一小部分的氢-1进行核聚变反应就足以产生大量的能量了。
氢-3同位素（氚）最容易进行核聚变反应，但是其含量非常稀少，若要提取它，必须先消耗大量能源。因此氢-3同位素并不适合成为核聚变反应的实用性材料。
氢-2同位素（氘）比氢-1容易处理，而且含量比氢-3多。世上所有的氢中，每6000个氢-1原子中才有1个氢-2原子，但是即使如此也已经足够了。海洋中有35兆吨氢-2同位素，这些量足以供给人们将来对能源的大量需求。
但问题依然存在。或许有人会觉得惊讶，人类可以利用核聚变原理制造氢弹，为什么却不能制造出核聚变反应堆呢？因为制造氢弹需要一个裂变式的原子弹进行引爆，借原子弹爆炸的高温和高压来引发氢的核聚变反应。制造核聚变反应堆则需要一个较和缓的点火器，显然我们必须使反应堆中的核聚变反应在固定而且和缓的速率下进行，而不是在氢弹那样爆炸性的速率下进行。
获得一个和缓的核聚变反应点火器并非难事，强大的电流、高能量的声波、激光束等都能在极短的时间内产生数百万度的高温，无疑地，核聚变反应所需的高温是可以达到的。
维持高温使正在聚变的氢能停留在适当的位置却是另一回事。因为氢核聚变要求温度高达1亿度以上，所以没有任何物质可以用做氢的容器。这样，不是容器被气化，就是降低氢的温度。解决问题的第一步是降低氢的密度，并使其压力远低于正常压力，此时，虽然氢的能量仍然高，但可以减少其热含量。解决问题的第二步是一个极聪明的方法，即当气体在非常高温时，所有的电子都会脱离原子核的束缚，而形成等离子体（20世纪30年代由朗缪尔所提出），它是由自由电子和脱去电子的原子核所构成。既然等离子体是由带电粒子所构成的，我们为什么不用强大的磁场来控制等离子体在容器中的位置呢？从1907年起，大家就知道磁场能限制电荷并且将它压挤在一起如同水流一般，这种效应称为箍缩效应。磁瓶（图10-6）的构想过去实验过并且证明有用，但是只在一瞬间内，一小片等离子体被磁场限制于磁瓶中，很快地就像蛇一样扭曲、解体，然后消失。
图10-6 保存氢核热气（等离子体）用的磁瓶。环状物称为环面
另一种方法是在管末端加较强的磁场，如此等离子体就向管末端推移，虽然等离子体仍有漏出，但情形并不严重。假如在1亿度时，等离子体在适当的位置固定1秒钟，那么核聚变反应即可发生，能量也可以释出系统之外。这些被释出的能量可以用来加强外界磁场，使得温度保持在适当的范围内，如此核聚变反应就可以自行维持下去，也就是利用核聚变反应本身的能量让反应堆维持下去。但是要使等离子体在短短的数秒钟内不漏出，却是目前仍然无法做到的事。
因为等离子体很容易自管末端漏出，为什么不除去末端而采用形状类似炸面圈的管子呢？一种特别有用的设计就是将炸面圈状的管子扭成8字形。1951年，斯皮策设计了一种8字形的装置称为星温磁缩聚变器。另一种有用的装置是由苏联的物理学家阿希墨维克所设计的，这种装置称为环形卡马拉流磁机或简称为托卡马克。
美国物理学家除了使用托卡马克之外，还使用一种称为斯库拉卡（Scyllac）的装置，因为能够容下浓度较大的气体，因此围堵时间较短。
将近20年来，物理学家已经一步步向核聚变动力迈进，虽然进展十分缓慢，但并不表示利用核聚变是件完全不可能的事。
在科学家研究利用核聚变能量的同时，另一种实际的应用却被发现了。等离子体焰的喷出物高达5万摄氏度，在科学理论上普通的化学火焰是绝对无法达到此种温度的，因此等离子体焰对废弃物可进行最终处置。等离子体焰中的任何物质都会分解成其组成元素。因此有用的元素都可经此步骤而加以回收利用。
（安石生 安锦绣 译）
ASIMOV'S
NEW GUIDE TO SCIENCE
阿西莫夫最新科学指南
［美］I·阿西莫夫 著
（下）
江苏人民出版社
Asimov's New Guide to Science
(Rev.ed.of: Asimov's Guide to Science©1972)
Copyright©1984 by Isaac Asimov
Chinese translation Copyright©1997 by Jiangsu People's Publishing House
Published byarrangement with HarperCollins Basic Books
Copyright licensed by Arts & Licensing International,Inc.
ALL RIGHTS RESERVED
书名 阿西莫夫最新科学指南(上、下)
著者 ［美］I·阿西莫夫
译者 朱岚 程席法等
责任编辑 汪振华 左衡
出版发行 江苏人民出版社
地址 南京中央路165号
邮政编码 210009
经销 江苏省新华书店
印刷者 通州市印刷总厂
开本 850×1168毫米1／32
印张 36.125
字数 862千字
版次 1999年2月第l版第l次印刷
标准书号 ISBN7—214—02388—1／G·733
定 价 48.00(上、下)元
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