发现：会分裂的铀
1938年12月，柏林的化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼用中子轰击铀时，意外地得到了轻得多的钡。为躲避纳粹而流亡瑞典的物理学家莉泽·迈特纳与外甥奥托·弗里施将这一结果解释为“原子核一分为二”，并借用生物学中的细胞分裂一词，称之为“裂变”。他们还算出碎片质量之和略小于原核，消失的质量按爱因斯坦的E=mc²转化为能量。1944年诺贝尔化学奖只授予了哈恩，迈特纳的落选被视为科学史上最著名的不公之一；第109号元素“鿏”（meitnerium）以她命名，留在了元素周期表上。
链式反应与临界质量
一个铀-235原子核裂变时释放约200 MeV能量，并平均放出2至3个中子。如果这些中子继续使其他原子核裂变，反应便会呈指数式扩散，即链式反应。要让链式反应自我维持，燃料必须集中到一定数量以上，这就是临界质量。1942年，恩里科·费米团队在芝加哥大学体育场看台下让第一座反应堆“芝加哥一号堆”达到临界；1945年，曼哈顿计划的原子弹投向了广岛和长崎。1千克铀完全裂变释放的能量，约相当于燃烧2500至3000吨煤。
核电及其挑战
核电站利用控制棒和慢化剂使链式反应保持稳定，再用产生的热量烧水、以蒸汽推动汽轮机。大多数反应堆是使用3%–5%浓缩铀的轻水堆，核电约占全球发电量的9%–10%。由于运行时几乎不排放二氧化碳，核电作为实现碳中和的手段重新受到关注；但1986年切尔诺贝利和2011年福岛那样的事故风险，以及放射性持续数万年的乏燃料如何处置，仍是未解决的难题。裂变产物的放射性按各自的半衰期衰减。把轻原子核结合起来的核聚变燃料丰富、长寿命废物少，但尚未实现商业化。
常见问题
- 核裂变和核聚变有什么区别？
- 裂变是把重核劈开，聚变是把氢等轻核结合。两者都因质量减少而释放能量，但目前商业发电只使用裂变。
- 核电站会像原子弹那样爆炸吗？
- 不会。发电用燃料浓缩度只有3%–5%，不可能发生核爆炸。但冷却失效可能导致堆芯熔毁和氢气爆炸，造成放射性物质泄漏。
来源核查日期：2026-10-26
参考文献
- Hahn, O., & Strassmann, F. (1939). Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle. Naturwissenschaften, 27, 11–15.
- Meitner, L., & Frisch, O. R. (1939). Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction. Nature, 143, 239–240.
- World Nuclear Association. (2024). Physics of Uranium and Nuclear Energy.
- International Atomic Energy Agency. (2024). Nuclear Power Reactors in the World. IAEA.