問題1：什么是核裂變？為什么重核會(huì)發(fā)生裂變過程（這個(gè)問題高中階段不做要求，僅供學(xué)有余力的同學(xué)拓展）？答：元素周期表中，質(zhì)量數(shù)（A）在二百以上的原子核在中子的轟擊下分裂成大小差不多相等的兩塊（每塊的質(zhì)量數(shù)一百多），這一過程被稱為核裂變。核裂變是德國化學(xué)家哈恩于1939年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因核裂變的發(fā)現(xiàn)哈恩獲得1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。奧地利女物理學(xué)家邁特納(L.Meitner)用玻爾的“液滴模型”解釋了裂變過程：如圖所示，中子被重核俘獲后形成復(fù)合核，復(fù)合核處于激發(fā)態(tài)，它將發(fā)生集體振蕩而變形；這一過程中表面張力和庫侖斥力在起作用，庫侖斥力使核的形變擴(kuò)大，表面張力使核恢復(fù)球形，如果庫侖斥力勝過表面張力，被拉長的橢球有可能最終斷裂為兩半。問題2：與化石能源相比，為什么裂變是更好的獲取能源的方式？答：核裂變是釋放核能的方法之一，與煤炭、石油等化石能源相比，核裂變釋放能量的效率更高。通過如下計(jì)算可以加深對(duì)上述描述的認(rèn)識(shí)。以U（235）

裂變?yōu)锽a（141）和

Kr（92）的過程為例，這一裂變過程的核反應(yīng)方程為：已知U（235）、中子、Ba（141）

、

Kr（92）的質(zhì)量分別為235.0439u、1.0087u、140.9139u

、91.8973u，則一個(gè)鈾核裂變過程中的質(zhì)量虧損為：Δm

=0.2153u，1u=931.5Mev所以一個(gè)鈾核裂變過程中釋放的能量為：ΔE=0.2153×931.5Mev=200.55Mev1kg鈾中含有的鈾核數(shù)目：所以1kg鈾完全裂變可以釋放的能量：E=2.6×1024×200.55×1.6×10-13J=8.3×1013J已知燃燒１kg煤所放出的能量為2.94×107J，則1kg鈾完全裂變可以釋放的能量相當(dāng)于約2800噸煤完全燃燒釋放的能量。問題3：如何使裂變成為可以利用和控制的能源獲取方式？答：雖然問題2中已經(jīng)證明了裂變過程可以獲得大量核能，但要利用裂變能，必須使裂變過程可持續(xù)、且能夠自發(fā)進(jìn)行。這樣一個(gè)核的裂變產(chǎn)生的中子能夠引發(fā)一個(gè)以上的核發(fā)生裂變，讓裂變過程自己持續(xù)下去，從而源源不斷地將核能釋放出來的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(chainreaction)，如圖所示。問題2中鈾235的裂變過程就是一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。但鈾核裂變時(shí)產(chǎn)生的中子能量在0.1到20MeV（平均約2MeV），不易被鈾235俘獲，能夠使鈾235發(fā)生裂變且效率高的是熱中子（能量約為0.025MeV），因此使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行的第一個(gè)必要問題就是中子的減速。使中子與質(zhì)量相差不太大的輕核進(jìn)行彈性碰撞（為什么不是重核？請(qǐng)嘗試?yán)眠x必1中碰撞的相關(guān)知識(shí)自主解釋），是慢化中子的有效手段，常用作減速劑的物質(zhì)有普通水(也叫輕水)、重水和石墨。反應(yīng)物的體積也是能否產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一個(gè)重要因素。因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如果反?yīng)物的體積不夠大，中子從其中通過時(shí)，可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面。中子的產(chǎn)生量與反應(yīng)物的體積成正比，其逃逸量與反應(yīng)物的表面積成正比，所以反應(yīng)物的體積必須足夠大才能保證鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)物的最小體積叫做臨界體積。滿足上述條件的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生時(shí)，裂變的數(shù)目將按指數(shù)規(guī)律增大，在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)釋放出大量的核能，發(fā)生猛烈的爆炸，原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的。如圖所示為原子彈兩種引爆方式—“槍式”和“內(nèi)爆式”。要使裂變能成為可以控制的能源獲取方式需要使用人工方法控制裂變反應(yīng)的速率，使核能比較平緩地釋放出來。如圖所示的核反應(yīng)堆中利用鎘能吸收中子的特性，把鎘棒插入其中，通過調(diào)節(jié)鎘棒深度控制裂變反應(yīng)的速率，使反應(yīng)堆保持一定的功率安全地工作，反應(yīng)堆為核能的和平利用開辟了廣闊的前景，使核能成為了可控的能源輸出方式。問題4：什么是核聚變？為什么核聚變又被稱為“熱核反應(yīng)”？答：元素周期表中鐵元素以前一批較輕的原子核相撞時(shí)融合在一起釋放大量能量的核反應(yīng)稱為核聚變反應(yīng)。聚變是宇宙中能量的主要來源，太陽和其他許多恒星釋放能量就是輕核聚變的結(jié)果。如圖所示為一個(gè)氘核與一個(gè)氚核聚合成一個(gè)氦核的同時(shí)放出一個(gè)中子的聚變反應(yīng)過程，其核反應(yīng)方程為：要讓兩個(gè)原子核進(jìn)入核力的作用范圍（10-15m）發(fā)生聚變，必須克服原子核間的庫侖斥力。以氘核發(fā)生聚變?yōu)槔瑑稍雍诉M(jìn)入核力作用范圍需要的動(dòng)能（分子的平均動(dòng)能，k為玻爾茲曼常數(shù)）至少要大于等于兩者之間的電勢(shì)能代入玻爾茲曼常數(shù)1.380649×10-23

J/K，靜電力常量9×109N·m2/C2，q=1.6×10-19C，可得T=5.6×108

K。考慮微觀粒子的量子特征，理論估計(jì)有效地發(fā)生核聚變反應(yīng)所需的溫度可以降低到約108K左右。綜上所述，核聚變反應(yīng)必須在極高的溫度下才能進(jìn)行，因此又被稱為熱核反應(yīng)。在此溫度下所有原子都完全電離形成了物質(zhì)的第四態(tài)—等離子體。（關(guān)于等離子體，在選必2磁流體發(fā)電機(jī)的介紹中曾略有提及）問題5：為什么輕核聚變是比重核裂變更為理想的獲取能源方式？答：與重核的裂變相比，輕核的聚變反應(yīng)在能源獲取方面有以下優(yōu)勢(shì)：①能源獲取的效率更高。以問題4中聚變反應(yīng)為例，已知氘核、氚核）、中子、氦核的質(zhì)量分別為2.0141u、3.016u、1.0087u、4.0026u，上述聚變反應(yīng)釋放的能量ΔE=Δmc2=17.6MeV聚變反應(yīng)中每個(gè)核子的貢獻(xiàn)的能量大約是中子誘發(fā)裂變反應(yīng)中每個(gè)核子貢獻(xiàn)約3～4倍。所以消耗相同質(zhì)量的核燃料，聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量更多。②聚變需要的燃料更易獲得。聚變反應(yīng)中所需的燃料是氘和氚，氘可以從海水中提?。旱厍蛏瞎灿屑s1×1018

t海水，其中含氘約3×1013

t，以一年消耗5.6×105

kg

氘計(jì)算，海洋中的氘估計(jì)可使用1011年。聚變反應(yīng)中的氚核是放射性核素（自然界不存在，半衰期為12.5年）可以通過下列反應(yīng)得到與裂變反應(yīng)中需要的鈾礦資源的有限性相比，聚變反應(yīng)的燃料可說是取之不盡，用之不竭的。③聚變的產(chǎn)物比裂變更安全。核裂變反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的放射性廢料，處理起來比較困難，裂變產(chǎn)物中鈾238的半衰期約為4.5×109年。核聚變反應(yīng)沒有放射性廢料產(chǎn)生。問題6：如何實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)？答：通過問題4的描述可知，發(fā)生聚變反應(yīng)的主要困難在于溫度。不可控的聚變反應(yīng)可以通過原子彈的爆炸來獲得高溫，氫彈就是這樣制成的。實(shí)現(xiàn)可控的聚變反應(yīng)必須在108K以上的高溫下把一定密度的等離子體約束足夠長的時(shí)間，以超過點(diǎn)火條件。迄今為止，我們還無法找到一個(gè)容器來約束這些高溫度的等離子體。因此必須采用其他方式對(duì)等離子加以約束，目前存在三種約束方式：①引力約束。太陽中的熱核聚變就是由萬有引力來約束的，但這需要有恒星那樣巨大的質(zhì)量，不僅在地球上做不到，即使在太陽系中最大的行星--木星上也不能實(shí)現(xiàn)。②慣性約束。如圖所示，利用強(qiáng)激光（功率約5×1014W）從多個(gè)方向同時(shí)轟擊氘和氚的混合燃料丸（微小球體，直徑幾毫米），使燃料丸的表面層形成等離子體，在強(qiáng)激光的慣性壓力下，內(nèi)層燃料丸密度迅速增大，直徑減小，溫度升高，從而引起熱核聚變。我國物理學(xué)家王淦昌是激光慣性約束聚變理論的創(chuàng)始人之一，但迄今為止，慣性約束方案仍未成功。③磁約束。帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)受洛倫茲力作用而不飛散，因而可以利用磁場(chǎng)來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。磁約