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4. 核裂变与核聚变
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第五章 原子核
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.了解核裂变反应及链式反应的条件
2.知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程
3.了解核聚变反应及条件。关注受控核聚变反应研究的进度
4.了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢?
正确教育
核裂变的发现
核裂变
物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。
铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪（铀236为中间过程，不稳定），同时放出3个中子。核反应方程是
链式反应
由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。
条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积
或核裂变物质的质量大于或等于临界质量。
临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量
链式反应
核裂变的发现
铀核的三分裂、四分裂
92235U+01n→54139Xe+3898Sr+201n
?
92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n
?
二分裂
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 和 。这一研究成果得到了广泛的认可和赞誉。
铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估 算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的化学能！
=
1 kg
2800 t
核裂变的发现
已知：????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????=????.????????????????×10-27 kg。求： 1Kg铀完全裂变释放的能量。
?
铀核裂变时的核反应方程为：
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
1kg铀中含有的铀核数为：
1Kg铀完全裂变释放的能量为：
1个U235发生裂变亏损质量：
1个U235发生裂变释放的能量：
ΔE=?????????????=?????×????????????.????????????????=200.55MeV
?
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
ΔE=????.????????????×????????24×200.55MeV=8.2×1013J
?
相当于标准煤的质量为：
已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当于多少标准煤完全燃烧释放的热量？
原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。
原子弹的燃料是铀235或钚239。在天然铀中只有0.7%的铀235，剩下的99.3%是不易核裂变的铀238。为得到高浓度的铀235，就必须进行同位素分离，形成铀235含量较高的浓缩铀。钚239在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击铀238，生成物衰变后成为钚239，然后再利用化学方法将钚239从铀238中分离出来。
原子弹
图5.4-3是“内爆式”原子弹结构图。核燃料一般被分成若干块放置，每块的体积都小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。其中，中子源的四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回，从而，降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料。
原子弹
正确教育
反应堆与核电站
核反应堆
1.核反应堆：人工控制链式反应的装置
吸收中子、控制反应速率
慢中子
(石墨、轻水、重水)
(浓缩铀)核燃料
屏蔽射线，防止放射性污染。
⑴燃料：铀棒
热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%?4%）
⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。
中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。
⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
核电站工作流程
核电站优点：
①消耗的核燃料少
②污染小
一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。核电站对环境的污染比火电站小。
正确教育
核聚变
核聚变
某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核的核反应。
发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到 10-15 m以内(原子核需要很大的动能才会“撞”在一起)
方法:
①用加速器加速原子核
②原子核加热到很高的温度108～109 K
大阳是一个巨大的热核反应堆
太阳的巨大能量就是核聚变产生的，几十亿年来，太阳每秒辐射出的能量约为3.8X1026 J，相当于 1千亿亿吨煤燃烧所放的能量，其中20亿分之一左右的能量被地球吸收
氢弹结构示意图
弹体
引爆装置
小型原子弹
三种炸药：
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
氘、氚、
重氢化钾等
铀235
外壳
普通炸药
受控核聚变
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。
可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.
比较项目
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
可控性
速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能
目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
实现核聚变的方法
(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。
(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
托卡马克（环流器）磁约束装置
惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应
惯性约束聚变激光
惯性约束示意图
1.铀核可以发生衰变和裂变，铀核的( )
A.衰变和裂变都能自发发生
B.衰变和裂变都不能自发发生
C.衰变能自发发生而裂变不能自发发生
D.衰变不能自发发生而裂变能自发发生
经典例题
C
答案：C
解析：衰变能自发发生，而铀发生裂变的条件是有中子轰击，故C正确，ABD错误。
2.我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料完毕，年底正式发电。该核反应堆用铀235作核燃料，用石墨作慢化剂，用氦气作冷却剂。则( )
A.铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等核，同时放出中子
B.裂变产生的中等核的比结合能大于铀235的比结合能
C.石墨在反应堆中的作用是吸收中子，控制反应的速度
D.可用铀238替代铀235作为核燃料
经典例题
B
答案：B
解析：铀235的核裂变必须要有中子轰击才能分裂成两个中等核，同时放出多个中子，选项A错误；裂变过程会释放核能，产生的中等核更加稳定，则产生的中等核的比结合能大于铀235的比结合能，选项B正确；慢中子更容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速石墨的作用是使中子减速，故C错误；在天然铀中占99%的铀238不易核裂变，不能被利用，则不可用铀238替代铀235作为核燃料，选项D错误。
核裂变与核聚变
核裂变的发现
核聚变
定义
铀裂变方程
链式反应
裂变应用
链式反应快：原子弹
链式反应慢：核电站
定义
聚变方程
聚变条件
与裂变比较
D
D
日本政府宣布决定将福岛第一核电站核污水排入大海，这一消息在国内外引起强烈抗议，为维护国际公共利益和中国人民健康安全，我国已通过外交渠道向日方表明严重关切，要求日方切实以负责任的态度审慎对待福岛核电站核废水处置问题。以下关于核能发电的说法正确的是( )
A.核能发电利用的是轻核聚变释放出来的核能
B.核裂变过程满足电荷数守恒和质量数守恒
C.核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小
D.裂变物质的体积小于临界体积时才能发生链式反应
B
答案：B
解析：核能发电利用的是重核裂变释放出来的核能，故A错误；核反应过程都满足电荷数守恒和质量数守恒，故B正确；核裂变产生的新核更稳定，比结合能更大，故C错误；裂变物质的体积大于临界体积时才能发生链式反应，故D错误。
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