1、1,核裂變 核聚變,原子核,1,核反應(yīng),吸收能量,放出能量,核子結(jié)合成原子核,有些重核分裂成中等質(zhì)量的核,有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核,2,3,物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變,一.核裂變,1.核裂變,4,（1）1938年底，德國(guó)化學(xué)家哈恩和斯特拉斯用中子轟擊鈾核時(shí)發(fā)現(xiàn)了核裂變,重核的裂變,即：一個(gè)重核分裂成了兩個(gè)中等質(zhì)量的核。,5,+,+,+,6,（3）計(jì)算鈾裂變時(shí)釋放的能量,已知鈾核裂變的反應(yīng)：,求：該核反應(yīng)釋放能量；,虧損質(zhì)量：,釋放能量：,m = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn) = 0.35781027kg,7,1kg鈾全部裂變，它放出的能

2、量超過(guò)2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量,3、我國(guó)物理學(xué)家錢三強(qiáng)，何澤慧夫婦1946年在巴黎發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和四分裂 。,8,3、鏈?zhǔn)椒磻?yīng),（1）定義：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),9,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模擬演示2,10,發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),爆炸,（2）發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件： 鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。,足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量(critical mass)。 鈾-235 的臨界質(zhì)量約為 1 kg，質(zhì)量超過(guò)1 kg 則發(fā)生爆炸。,11,12,4、原子彈原理,原子彈裝藥重6.1千克，TNT當(dāng)量1.8萬(wàn)噸，試驗(yàn)中產(chǎn)生了

3、上千萬(wàn)度的高溫和數(shù)百億個(gè)大氣壓，致使一座30米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個(gè)巨大的彈坑,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的應(yīng)用原子彈,13,美國(guó)原子彈突襲廣島和長(zhǎng)崎造成了巨大的毀傷在長(zhǎng)崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達(dá)12英里多廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%長(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡共86000人，占全市37% ,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的應(yīng)用原子彈,在山田須磨子（一位當(dāng)年的爆炸目擊者）的一幅畫：在遙遠(yuǎn)的廣島上空，原子彈爆炸后發(fā)出彩虹一般絢麗的光芒,14,原子彈,中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖,15,二、核電站慢

4、中子反應(yīng)堆,16,核電站,核心設(shè)施：核反應(yīng)堆 濃縮鈾制成的鈾棒,減速劑：,石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度,控制棒：鎘棒，用于吸收中子， 控制核反應(yīng)的快慢。,解決能源危機(jī)根本途徑核能。 可開(kāi)發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。 核聚變資源可使用幾億年。,17,核反應(yīng)堆,通過(guò)受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過(guò)程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustaining chain reaction)。,18,核電站工作過(guò)程,能量的轉(zhuǎn)化:,核能,內(nèi)能,機(jī)械能,電能,19,2、核能利用：,核電站消耗的“燃料”很少。一座一百萬(wàn)千瓦的核電站，每年只消耗30噸濃縮油

5、，而同樣功率的火力發(fā)電站，每年卻要消耗250萬(wàn)噸煤 。目前，核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益跟火電站大體相同。到20世紀(jì)末，核發(fā)電已占世界發(fā)電總量的30%。,把反應(yīng)堆小型化，可以使核能作為動(dòng)力，制造核動(dòng)力潛艇、核動(dòng)力破冰船和核動(dòng)力航空母艦，在某些動(dòng)力裝置上也有利用的可能。,核反應(yīng)堆不僅可以提供強(qiáng)大的核能，而且它產(chǎn)生的大量中子還可以用來(lái)進(jìn)行各種原子核物理實(shí)驗(yàn)，制造各種反射性同位素。,20,核發(fā)電量占總發(fā)電比例最多的10個(gè)國(guó)家是： 法國(guó) 75% 立陶宛 73.1% 比利時(shí) 57.7% 保加利亞 47.1% 斯洛伐克 47% 瑞典 46.8% 烏克蘭 43.8% 韓國(guó) 42.8% 匈牙利 38.3% 亞美尼亞 3

6、6.4%,世界核能發(fā)電占全部電量1/4,21,三、核電的安全性,核反應(yīng)堆的防護(hù)措施： 第一道屏障耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊 可以把98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。 第二道屏障燃料元件包殼 由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。 第三道屏障壓力殼 將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。 第四道屏障安全殼 由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個(gè)核反應(yīng)堆都裝在安全殼中。,22,核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理： 采取貯存衰變等方法進(jìn)行稀釋，再排放到指定的區(qū)域。 核電站固體廢物的處理： 先在核電站內(nèi)專用的廢物庫(kù)暫存，然后送到人煙稀少、地質(zhì)穩(wěn)定、地下水位低又遠(yuǎn)離天然水源的放置場(chǎng)永久

7、貯存，一般要存放幾百年。,23,說(shuō)明:在天然鈾中，主要有兩種同位素，其中99.3%是鈾238，0.7%是鈾235。鈾235俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，而且俘獲能量低的中子發(fā)生裂變的幾率較大。鈾238只有俘獲能量大于1MeV的中子才可能發(fā)生裂變，并且?guī)茁屎苄　Ｒ虼?，為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好是利用純鈾235。,24,19.7 核的聚變,25,一、核聚變,26,1 、 輕核的聚變（熱核反應(yīng)）,某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個(gè)較大的原子核，同時(shí)放出大量的核能。這種核反應(yīng)叫做聚變。,一、核聚變,27,2、核反應(yīng)方程:,+17.6Mev,該反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量在3Mev以上，聚變比裂變

8、能放出更多的能量。,3.其它聚變：,上述反應(yīng)都需要超高溫條件，稱為熱核反應(yīng)。,28,計(jì)算下面核反應(yīng)放出的能量:,氘核的質(zhì)量：mD2.014102u 氚核的質(zhì)量：mT3.016050u 氦核的質(zhì)量：m4.002603u 中子的質(zhì)量：mn=1.008665u,29,計(jì)算表明，這個(gè)核反應(yīng)釋放的能量是17.6MeV 。這個(gè)量值雖然比一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生的能量（201MeV）少，但平均每個(gè)核 子產(chǎn)生的能量,是鈾裂變（ = 0.852MeV）的約4倍。,30,2、發(fā)生聚變的條件: 要使原子核間的距離達(dá)到10-15m,3、實(shí)現(xiàn)的方法有: 1）用加速器加速原子核； 2）把原子核加熱到很高的溫度；,108109 K

9、,如何能使輕核具有較大的動(dòng)能呢？,需要克服極大的庫(kù)侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動(dòng)能。,幾百萬(wàn)度高溫,聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng),31,核聚變的利用氫彈,三種炸藥：,普通炸藥,235,氘、氚,爆炸,裂變,聚變,32,世界第一顆氫彈麥克,33,氫彈爆炸形成的磨姑云,34,太陽(yáng)是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。,熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107 K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽(yáng)每秒釋放的能量約為3.81026 J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是40

10、0萬(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持90億100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！,太陽(yáng)的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量，太陽(yáng)；這個(gè)天然的的核聚變過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年,35,（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高,1.聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：,（2）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富,（3）輕核聚變更安全、清潔,（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較容易,相同的核燃料釋放的能量多。常見(jiàn)的聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量約3.3MeV，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。,1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油,輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。,實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，

11、一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動(dòng)終止了。,氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒(méi)有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。,二、受控?zé)岷朔磻?yīng)核聚變的利用,36,磁約束,帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。,2.實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案：1.磁約束 2.慣性約束,37,托卡馬克裝置,38,慣性約束,由于聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，

12、可以用激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。,39,40,我國(guó)可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“中國(guó)環(huán)流一號(hào)”具有國(guó)際先進(jìn)水平。,【分析】算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程即可求出反應(yīng)釋放的核能。,解答： （1）,（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：,m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u,釋放的核能為,E=mc2=931.50.0035=3.26MeV,41,靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的 原子核，俘獲一個(gè)速度為7.7104 m/s 的中子而發(fā)生核反應(yīng)放出粒子后變成一個(gè)新原子核，已知中子速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，測(cè)得粒子速度為：2104m/s，方向與中子速度方向相同，求： （1）生成的新核是什么？寫出核反應(yīng)方程式。 （2）生成的新核的速度大小和方向。 （3）若粒子與新核間相互作用不計(jì)，則二者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道半徑之比及周期之比各為多少？,解：,（1）寫出核反應(yīng)方程式,生成的新核是氚核,例2、,42,（2）由動(dòng)量守恒定律 mn vn=m v +mH vH,vn= 7.7