核裂變與核聚變 高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

5.4核裂變與核聚變核心素養(yǎng)目標1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì)2.認識原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念3.能用質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程計算核能相關作用問題引入較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這樣核能，在這些裝置中，核能使怎樣被轉(zhuǎn)化和使用的呢？

1.裂變:重核分裂成質(zhì)量較小的核，并釋放核能的反應。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)中子2.鏈式反應：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過條件：每次裂變產(chǎn)生的中子，至少平均有一個能引發(fā)新的裂變①保證的純度←提純②鈾塊的大小臨界體積:裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積相應的質(zhì)量：臨界質(zhì)量多種多樣3.二分裂三分裂四分裂...概率：二分裂的二分裂的質(zhì)量數(shù)守恒，電荷守恒4.核裂變的標準煤

一個鈾235核裂變時釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能!=二、反應堆與核電站

1.原子核的鏈式反應也可以在人工控制下進行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設服務。其實，在第一個原子彈制成以前，科學家們已經(jīng)實現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學家費米就主持建立了世界上第一個稱為“核反應堆”的裝置，首次通過可控制的鏈式反應實現(xiàn)了核能的釋放。反應堆與核電站2.反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．反應堆與核電站(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度．反應堆與核電站(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電．發(fā)生裂變反應時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．反應堆與核電站反應堆與核電站3.核電站的能量轉(zhuǎn)化重水重水是兩個氘原子與一個氧原子形成的化合物，它的化學性質(zhì)與普通水相同，但分子質(zhì)量比普通水的大。在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒，為什么？答案：鎘有吸收中子的特性，減少中子的數(shù)目，可以控制能量釋放的速度，而原子彈需要在極短的時間內(nèi)釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸，不需要控制速度，故不需要鎘棒。三、核聚變

思考與討論:要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達到10-15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力。也就是說，原子核要有很大的動能才會“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發(fā)生核聚變呢？

有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當物質(zhì)的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應繼續(xù)下去。核聚變

實際上，熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆（圖5.4-7）。太陽的主要成分是氫。太陽的中心溫度達1.6×107K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，不斷地放出能量。太陽每秒輻射出的能量約為3.8×1026J，相當于1000億億噸煤燃燒所放出的能量

其中20億分之一左右的能量被地球接收?，F(xiàn)在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來自太陽，即太陽內(nèi)部核聚變時釋放的核能核聚變

太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應?？茖W家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！太陽的壽命已經(jīng)有50億年了核聚變

目前，人工產(chǎn)生的熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖5.4-8所示，首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。

此外，人們也一直在努力嘗試實現(xiàn)可控的人工核聚變，進而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優(yōu)點。第一，輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說，相同質(zhì)量的核燃料，反應中產(chǎn)生的能量比較多。第二，地球上核聚變?nèi)剂想碗皟α控S富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。核聚變

然而，核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。這構(gòu)成了實現(xiàn)可控核聚變的主要困難。為了解決這個難題，科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。

磁約束

帶電粒子運動時，在勻強磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質(zhì)，這就是磁約束。如圖5.4-9，環(huán)流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）是目前性能最好的一種磁約束裝置。核聚變

慣性約束

利用核聚變物質(zhì)的慣性進行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射參加反應物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應。由于核聚變反應的時間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應

在我國，中國工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置?？偟膩碚f，實現(xiàn)受控核聚變還有一段很長的路要走核聚變

兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變

如圖5.4-6，一個氘核與一個氚核聚合成一個氦核的同時放出一個中子，釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應中平均每個核子放出的能量大3?4倍。這時的核反應方程是問題有：１、熱核反應的的點火溫度很高；２、如何約束聚變所需的燃料；慣性約束３、反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；現(xiàn)在的技術還不能控制熱核反應。1.我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環(huán)流器二號M”（又被稱為“人造太陽”）將在2020年投入運行，其所發(fā)生的可控核聚變方程是

已知

、

、

和X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3和m4，真空中的光速為c，下列說法正確的是（）A．X是質(zhì)子B．大亞灣核電站利用核聚變發(fā)電C．該核反應所釋放的核能為D．

和

的結(jié)合能之和大于的結(jié)合能課堂訓練解析：A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X是中子，A錯誤；B．大亞灣核電站是利用重核裂變來發(fā)電，B錯誤；C．根據(jù)質(zhì)能方程，該核反應所釋放的核能為C正確；D．比結(jié)合能大的原子核更穩(wěn)定，一個氘核與一個氚核結(jié)合成一個核時，釋放能量，則

更穩(wěn)定，比結(jié)合能更大，核子數(shù)守恒，則

和

的比結(jié)合能之和小于

的比結(jié)合能，D錯誤。故選C。答案：C課堂訓練課堂練習2.利用重核裂變釋放核能時選用鈾235，主要因為（）A.它比較容易發(fā)生鏈式反應B.能自動裂變，與體積無關C.鈾核比較容易分裂成為三部分或四部分，因而放出更多的核能D.鈾235價格比較便宜，而且它裂變時放出的核能比其他重核裂變時放出的核能要多D課堂練習3.鎘棒在核反應堆中所起的作用是（）A.使快中子變成慢中子B.使慢中子變成快中子C.使反應速度加快D.控制反應速度，調(diào)節(jié)反應速度的快慢D1、核裂變