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第 五 章 原子核
第4节 核裂变与核聚变
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。
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?
秦山核电站
原子弹
一、核裂变
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。
1、定义：重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应叫做核裂变。
2.铀核的裂变
典型的铀核裂变反应：
用中子轰击铀核时，铀核可能发生裂变，其产物也是多种多样的，核裂变中放出中子，数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
铀核裂变不仅有常见的二分裂，还有发生概率很低的三分裂和发生概率极低的四分裂现象。
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 。这一研究成果得到了广泛的认可和赞誉。
3.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，使核裂变反应一代接一代继续下去，这个过程叫做核裂变的链式反应．
发生链式反应的条件：
铀块的质量大于临界质量，
或铀块体积大于临界体积。
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。
4.裂变反应的能量
铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。
铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应，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！
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
反应堆：通过可控制的链式反应
来释放核能的装置。
1.核燃料：浓缩铀235
2.减速剂：石墨、重水、普通水，使中子减速，易于捕获
3.控制棒：镉，吸引中子，控制链式反应的快慢
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高。水或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，同时也使反应堆冷却。
二、核电站
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。
核电站工作流程
核电站优缺点：
（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：
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。
三、核聚变
1. 核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2. 核聚变条件：使原子核间的距离达到10-15m
3. 实现的方法：把原子核加热到温度达到几百万开尔文
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。
4. 核聚变应用： 氢弹
5. 天然核聚变： 太阳的核燃烧
6. 核聚变的优点：
① 轻核聚变产能效率高；（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。
7. 实现可控核聚变的困难：
核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
8.可控核聚变的两种方案
①磁约束
中国科学院的环流器装置
（1）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，利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。
②惯性约束
激光或X射线
（2）惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
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2.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
3.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
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.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
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，故反应后质量增加
B
链式反应的条件：
重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应
核裂变与核聚变
核裂变
核聚变
裂变方程：92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n(以铀核为例）
?
核反应堆与核电站的工作流程
临界体积、临界质量
两个轻核结合成质量较大的核的反应
聚变方程：12H+13H→24He+01n
?
优点：产能效率高；聚变燃料的储量丰富；更安全、清洁
实现可控核聚变的方法：磁约束、惯性约束

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