1、6 核裂變7 核聚變,核反應(yīng),吸收能量,放出能量,核子結(jié)合成原子核,使較重的核分裂成中等大小的核,把較小的核合并成中等大小的核,一、核裂變,1938年底，德國(guó)物理學(xué)哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。 奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此做出了解釋?zhuān)衡櫤嗽诒恢凶愚Z擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里斯把這類(lèi)核反應(yīng)定名為核裂變。,1、核裂變,鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的。 一種典型的裂變是：,一、核裂變,一、核裂變,2、鏈?zhǔn)椒磻?yīng),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，叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,動(dòng)畫(huà),一、核裂變,3、臨界體積和臨界質(zhì)量,鈾塊的

2、大小是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否進(jìn)行的重要因素。 原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過(guò)時(shí)，就有可能碰不到鈾核而跑到鈾塊外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。只有當(dāng)鈾塊足夠大時(shí)，裂變產(chǎn)生的中子才有足夠的概率打中某個(gè)鈾核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去。 通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。,一、核裂變,4、裂變核能,鈾核裂變時(shí)如果生成物不同，釋放的能量也有差異。 請(qǐng)計(jì)算：一個(gè)鈾核235裂變時(shí)釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能。1t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)發(fā)出2.931010J的熱量。,

3、一、核裂變,STS 原子彈與科學(xué)家的責(zé)任,一、核裂變,STS 原子彈與科學(xué)家的責(zé)任,一、核裂變,STS 原子彈與科學(xué)家的責(zé)任,二、核電站,原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。 在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。 1942年，費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱(chēng)為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。,慢化劑： 中子的速度不能太快，否則會(huì)與鈾235原子核“擦肩而過(guò)”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實(shí)驗(yàn)證明，速度與熱運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱(chēng)慢中子。但是，裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，因此還要設(shè)法使快中子減速

4、。為此，在鈾棒周?chē)拧奥瘎?，快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變?yōu)槁凶印?常用的慢化劑有石墨、重水和普通水（也叫輕水）,二、核電站,控制棒： 為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些。 這種鎘棒叫做控制棒。,二、核電站,視頻 核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高。水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。 反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。,二、核電站,二、核

5、電站,二、核電站,科學(xué)漫步 石墨堆、重水堆、輕水堆 壓水堆、沸水堆 快中子增殖反應(yīng)堆,二、核電站,核電站種類(lèi),7 核聚變,一、核聚變,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)叫做核聚變。,一、核聚變,2、聚變核能,比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大34倍,3、發(fā)生聚變的條件: 要使原子核間的距離達(dá)到10-15m,4、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；,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)K高溫,聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng),核聚變的利用氫

6、彈,世界第一顆氫彈麥克,我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功,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)的中心溫度達(dá)1.5107 K，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，輻射出的能量與400萬(wàn)噸的物質(zhì)相當(dāng)?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當(dāng)然，與人類(lèi)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，這個(gè)天然的核聚變過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年,（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高,1.聚變與裂變相比

7、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，大約有40多萬(wàn)億噸氘。鋰的儲(chǔ)量有2000億噸，用來(lái)制取氚足以滿足聚變的需要。,實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動(dòng)終止了。,氘和氚聚變反應(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,磁約

8、束,帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中會(huì)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,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，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)。,【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

9、為,E=mc2=931.50.0035=3.26MeV,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(xiě)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(xiě)出核反應(yīng)方程式,生成的新核是氚核,例2、,（2）由動(dòng)量守恒定律 mn vn=m v +mH vH,vn= 7.7104 m/s v = 2104m/s,V H =( mn vn- m v )/ mH,= ( 17.7104 - 4 2104 ) 3,= - 1