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高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第 4 节:核裂变与核聚变
第4节:核裂变与核聚变
问题与思考：
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？
核电站
核聚变
导入新课 复习势能的概念
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
哈恩
迈特纳
弗里施
一、核裂变的发现
核裂变：重核受粒子轰击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
⑴铀核裂变的一种典型情形
氪89
中子轰击铀235
中间产物铀236
钡144
3个中子
一、核裂变的发现
最典型的一种核反应方程式
(3)铀核的三分裂、四分裂
二分裂
一、核裂变的发现
(2)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。
二、链式反应
1、定义：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且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，这种反应叫核裂变的链式反应。
2、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
二、链式反应
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
ΔE24200.55MeV=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？
三、核裂变释放出巨大的能量
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
三、核裂变释放出巨大的能量
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
原子弹
三、核裂变释放出巨大的能量
为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。
三、核裂变释放出巨大的能量
四、反应堆与核电站
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
原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。
1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。
1、反应堆：
四、反应堆与核电站
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
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%）。
1、反应堆：
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
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。
四、反应堆与核电站
1、反应堆：
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。
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
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
四、反应堆与核电站
1、反应堆：
2、核电站
核电站工作流程
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
⑴核电站工作流程
四、反应堆与核电站
⑵核反应堆的防护措施：
由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。
第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块
可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。
第二道屏障——燃料元件包壳
由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。
第三道屏障——压力壳
将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。
第四道屏障——安全壳
2、核电站
四、反应堆与核电站
在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。
能量输出：
利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
优缺点：
（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。
（2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；
②核废料处理困难。
核污染的处理：
2、核电站
四、反应堆与核电站
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。
核电站
2、核电站
四、反应堆与核电站
核反应堆各组成部分在核反应中的作用
2、核电站
四、反应堆与核电站
五、核聚变
1、核聚变:两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
⑴用加速器加速原子核
思考与讨论
五、核聚变
2、核聚变普遍存在于宇宙中
恒星
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
太阳聚变反应
五、核聚变
3、核聚变的利用——氢弹
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
不可控！
五、核聚变
4、可控核聚变的方案
⑴磁约束
带电粒子运动时在均匀磁场中受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。
托卡马克装置
中国科学院的环流器装置
五、核聚变
⑵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。
惯性约束示意图
五、核聚变
①反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核
燃料，反应中产生的能量比较多。
②地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方
米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。
③轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有
放射性的。
④反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的
氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物
质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。
可控核聚变（热核反应）的优越性：
五、核聚变
C
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第 4 节:核裂变与核聚变
2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是（　　）
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
C
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3．核反应堆中控制链式反应速度的材料是（　　）
A．铀棒 B．镉棒 C．石墨或重水 D．含铅的水泥
B
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A
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第 4 节:核裂变与核聚变
5．下列关于聚变的说法中正确的是（　 　）
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
ABC
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第 4 节:核裂变与核聚变
6．关于重核的裂变，以下说法正确的是（　　）
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，但核子数不变
D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能
CD
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7．核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，有一种核裂变方程 ，下列说法正确的是（　　）
A．裂变反应中亏损的质量变成了能量
B．裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C．X原子核中有54个质子
D．X原子核比铀核的比结合能大
CD
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8．如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是（　　）
A．铀棒是核燃料，核心物质是铀235
B．石墨起到吸收中子的作用
C．镉棒起到使中子减速的作用
D．水泥防护层的作用是阻隔射线，避免放射性危害
AD
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