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第五章 原子与原子核
第五节 裂变和聚变
太阳为何能持续燃烧数十亿年而不熄灭？原子弹与氢弹的威力为何相差悬殊？这些震撼人心的现象背后，隐藏着原子核的两种 “终极反应”——核裂变与核聚变。前者通过重核（如铀 - 235）的分裂释放能量，支撑核电站运转；后者通过轻核（如氢的同位素）的结合释放更巨大的能量，是恒星发光发热的根源。
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
铁（Fe）原子的比结合能最大
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核(中等大小的核)时，每个核子平均放出的能量大
如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核结合成中等大小的核，每个核子平均放出的能量比吸收的能量大，故反应会释放能量。
总结：使较重的核分裂成中等大小的核会释放能量
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
1.核裂变
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。
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
相应的质量：临界质量
1kg铀235全部裂变时放出的能量相当于多少标准煤完全燃烧时释放的化学能？
已知一个92235U核裂变时能释放200 MeV的能量，燃烧1kg煤所放出的能量为2.94×107J.请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。
?
分析：可以比较1kg92235U?完全裂变和1kg煤完全燃烧所释放的能量，计算1kg铀235完全裂变时所放出的能量相当于完全燃烧的煤的质量
?
解：1kg92?235U?含有的原子数目
?
????=????????????????????????????=10.235×6.02×1023=2.6×1024
?
而200MeV相当于3.2×10?11???? ，则1kg铀完全裂变释放能量
?
所释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量
=????1????煤=2.8×106????????=2800?????
?
????煤
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
中等大小的核的比结合能较大
平均每个核子的质量亏损最大
核子平均质量
比结合能
z
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核(中等大小的核)时，每个核子平均放出的能量大
如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核结合成中等大小的核，核子将发生新的质量亏损，释放新的结合能，故反应会释放能量。
总结：把较小的核聚合成中等大小的核，都会释放能量
1.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108～109K
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性
(1)轻核聚变产能效率高
(2)地球上聚变燃料的储量丰富
（每升水中就含有 0.03 g 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。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
2.受控核聚变
3.实现可控核聚变的两种方案：
磁约束和惯性约束
总结：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
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
三、核能利用
1.核电站：
核电站是利用原子核裂变反应释放出能量，经能量转化而发电的。
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。
除了核电站以外，还能制作核动力潜艇，破冰船和核动力航母
2.核反应堆：
由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。
①铀棒：
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。
屏蔽射线，防止放射性污染。
④水泥防护层：
主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。
③镉棒：
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
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2.秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站．在一次核反应中一个中子轰击92235????变成54136????????、3890????????和若干个中子，已知92235????、54136????????、3890????????的比结合能分别为7.6 MeV、8.4 MeV、8.7 MeV，则(　　)
A．该核反应方程为92235????+01n―→54136????????+3890????????+901n
B．要发生该核反应需要吸收能量
C．3890????????比54136????e更稳定
D．该核反应中质量增加
?
C
3.如图是核反应堆的示意图，对核反应堆的认识，下列说法正确的是( )
A. 铀棒是核燃料，核心物质是铀238
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为了阻隔γ射线，
避免放射性危害
D
4.如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　)
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，
变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
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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