资源简介

§5. 4 核裂变与核聚变
核反应
电子
原子核
在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．
核裂变
+
→
+
+
? 在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，存在质量亏损，故裂变时能释放出能量
铀核的裂变
释放出的能量为
在这个反应中释放的能量还可能计算如下：
裂变以前：
U 235.0439u
n 1.0087u
236.0526u
裂变以后：
Sr 89.9077u
Xe 135.9072u
10n 10.0867u
235.9016u
反应过程中质量减少了△m=0.1510u
?
△E= △mc2=141MeV
1.定义：物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做核裂变．
〓
核裂变
2.铀核的裂变
（1）铀核裂变的产物是多种多样的
（2）一种典型的反应是裂变为钡和氪，同时放出三个中子:
（3）链式反应：
重核裂变，释放出的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，也就是裂变的链式反应．
（4）临界体积：
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。
一.核裂变
例1. 一个铀235原子俘获一个中子后，裂变为氙139和锶94，同时放出三个中子．
(1)写出核反应方程并计算出一个铀核裂变时释放的核能．已知mU＝235.04394 u，
mXe＝138.91844 u，mSr＝93.91557u，mn＝1.008 665 u.
(2)计算1kg铀完全裂变释放出的能量，其相当于多少热值为2.93×107J/kg的煤完全燃烧时放出的热量？
解:（1）核反应方程为：
质量亏损为：
一个铀核裂变时释放的核能:
（2）1kg铀中含有的铀核个数:
（个）
煤的质量为：
1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量．
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!
3.核裂变释放大量的能量
一.核裂变
二.原子弹
“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑．
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤．在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多．广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%．长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ．
二.原子弹
在山田须磨子（一位当年的爆炸目击者）的一幅画：在遥远的广岛上空，原子弹爆炸后发出彩虹一般绚丽的光芒
二.原子弹
“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑．
半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡．
“原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉．我是死神，我是世界的毁灭者．”
二.原子弹
三、核防护
（１）核爆炸瞬时效应防护。
对核袭击的防护大致可分为两大类:
利用工事进行掩蔽
在开阔地面上的人员，当发现核爆闪光时，立即背向爆心卧倒，可减轻伤害。
（２）放射性沾染防护。
避开在沾染区或高照射量率的地区行动
人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量缩短时间
及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染
进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，以减少放射性物质在人体内的存留
大亚湾核电站
田湾核电站
秦山核电站
核电站内部结构
核电站原理图
四、核电站
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂
(石墨,重水,普通水-轻水)
链式反应的应用——核电站慢中子反应堆
四、核电站
1.关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )
A.镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
C
（1）主要组成：核电站的核心设施是核反应堆
五.反应堆
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水
(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
（2）核电站发电的优点:
(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
五.反应堆
核能----解决能源危机的根本途径
核发电量占总发电比例最多的10个国家是：
法国 75%
立陶宛 73.1%
比利时 57.7%
保加利亚 47.1%
斯洛伐克 47%
瑞典 46.8%
乌克兰 43.8%
韩国 42.8%
匈牙利 38.3%
亚美尼亚 36.4%
世界核能发电占全部电量1/4
例2 原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成 (　　)．
A．原子燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统、传热系统
C．原子燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
A
核电站的核心是核反应堆，对反应堆的原理和组成应记牢是解好此类题目的核心．
世界核电现状一览表（截止到1995年12月31日止）
世界核电现状一览表（截止到1995年12月31日止）
（部分国家）
问：什么是辐射？
答：辐射是能量传递的一种方式，辐射依能量的强弱分为三种：
电离辐射：能量最强,可破坏生物细胞分子，如α、β、γ射线。
非电离辐射(有热效应)：能量弱，不会破坏生物细胞分子，但会产生温度，如微波、光。
非电离辐射(无热效应)：能量最弱，不破坏生物
细胞分子，也不会产生温度，如无线电波、电力电磁场。
也谈辐射
放射性物质对人体伤害的规律是：
距离射源越远，受照时间越短，隔离的“屏障”越多，受到伤害越小。
核电站和日常生活辐照水平的对比
一次全身大剂量辐射照射对身体的影响
合成
D
E
F
核子平均质量
原子序数
O
Fe
1.轻核的聚变
某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做核聚变。
〓
聚变
六.核聚变
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
氘核的质量：mD＝2.014102u
氚核的质量：mT＝3.016050u
氦核的质量：mα＝4.002603u
中子的质量：mn=1.008665u
六.核聚变
计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV 。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，但平均每个核子产生的能量
是铀裂变（ = 0.852MeV）的约4倍。
六.核聚变
2、发生聚变的条件:
要使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于电磁力
3、实现的方法有:
把原子核加热到很高的温度。
需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。
几百万开尔文高温
聚变反应又叫热核反应
六.核聚变
核聚变的利用——氢弹
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
六.核聚变
六.核聚变
世界第一颗氢弹——麦克
六.核聚变
核聚变普遍存在于宇宙中
太阳
恒星
六.核聚变
太阳是一个巨大的热核反应堆。
太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量；
太阳，这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年。
六.核聚变
核子平均质量
核子的平均质量与原子序数之间的关系



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
重核裂变与轻核聚变的区别
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
2.在下列核反应方程中，表示核聚变过程的是( )
A. 92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n
B. 90234Th→91234Pa+?10e
C.92238U→90234Th+24He
D. 13H+12H→24He+01n
?
D
（1）轻核聚变产能效率高
1.聚变与裂变相比的优点：
（2）地球上聚变燃料的储量丰富
（3）轻核聚变更安全、清洁
（4）反应中放射物质的处理较容易
相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。
氘和氚聚就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。
七.受控热核反应——核聚变的利用
托卡马克装置
磁约束
带电粒子运动时在均匀磁场中会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。
2.实现核聚变的难点：
地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束 2.惯性约束
七.受控热核反应——核聚变的利用
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
七.受控热核反应——核聚变的利用
惯性约束示意图
1.太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少.太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A.1036 kg　 　
B.1018 kg　
C.1013 kg　 　
D.109 kg
根据爱因斯坦质能方程
可得：
D
小试牛刀
2．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温， 其主要原因是太阳内部进行着剧烈的(　　)
A．衰变反应　　　　　
B．人工核反应
C．裂变反应
D．热核反应
太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应。
D
小试牛刀
3.(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是(　 　)
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.控制棒插入核反应堆芯后,被吸收的中子数量变多
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
ABD
4.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是 92235????+01n→56144Ba+3689Kr+301n。下列说法正确的有( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
?
AC
5.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称为“人造太阳”）将在2020年投入运行，其所发生的可控核聚变方程是 已知 、 、 和X的质量分别为m1、m2、m3和m4，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）
A．X是质子
B．大亚湾核电站利用核聚变发电
C．该核反应所释放的核能为
D． 和 的结合能之和大于的结合能
C
6.能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有（　　）
A． 是人工核反应
B． 是核裂变反应，该反应吸收能量
C．由于裂变比聚变产能效率高，目前的核电站是利用的裂变，用减速剂把快中子变为热中子，用镉棒控制反应速度
D．核聚变温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束
D
课 堂 小 结
国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。

展开更多......

收起↑