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第五章 原子与原子核
第五节 裂变和聚变
秦山核电站
思考：核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要。核反应堆中发生着怎样的核反应？
学习目标
1.了解核裂变和核聚变的概念和原理
2.了解核能的应用
一、核裂变与链式反应
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。
1.核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
核能的释放：由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能。
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
92235U+01n→54139Xe+3898Sr+201n
?
92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n
?
我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现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 1/300 和1/ 5 000 。
2.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称为链式反应。
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:裂变物质能够发生链式反应的最小体积
如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧时放出的化学能。
=
1 kg
2800 t
二、核聚变及受控热核反应
讨论与交流：
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15m 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？
（1）把原子核加热到很高的温度，使原子核具有很大的动能。
（2）利用加速器对原子进行加速。
核聚变又叫作热核反应
受控热核反应：热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。
与核裂变相比，核聚变有很多优点。
①轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。
②地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。
③轻核聚变更为安全、清洁。
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1000万以上，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
三、核能利用
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。
2.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。
二战时期，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蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ；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%。
核裂变的利用——原子弹
核聚变的利用——氢弹
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
12H+13H→24He+01n+17.6MeV
?
不可控！
1.我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
AD
2.裂变反应中释放出的能量来自于(　 　)
A.核子消失转化为能量
B.原子中电子与原子核的电势能减小
C.入射的中子消失转化为能量
D.原子核的比结合能变大，释放出能量
D
3.关于核反应堆，下列说法不正确的是(　　 )
A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
C
4. 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　 　)
A. 一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B. 聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C. 聚变反应中粒子的比结合能变小
D. 聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大
B
裂变和聚变
核裂变与链式反应
核聚变及受控热核反应
定义：少数重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应
链式反应：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，且能不断继续下去
定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应
受控热核反应：热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。
核能利用
核电站
核反应堆
原子弹
氢弹

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