資源簡介

4. 核裂變與核聚變
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊）
第五章 原子核
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.了解核裂變反應及鏈式反應的條件
2.知道反應堆的工作原理及其類型，知道核電站的工作流程
3.了解核聚變反應及條件。關注受控核聚變反應研究的進度
4.了解兩類核能應用的利弊，關注核技術應用對人類生活和社會發展的影響
較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成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，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉化和使用的呢?
正確教育
核裂變的發現
核裂變
物理學中把重核分裂成兩個較輕的核時，釋放出核能的反應叫做核裂變。
鈾核裂變的產物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪（鈾236為中間過程，不穩定），同時放出3個中子。核反應方程是
鏈式反應
由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程。
條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積
或核裂變物質的質量大于或等于臨界質量。
臨界體積和臨界質量：使裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。
鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。
原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，就有可能不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式反應不能繼續。只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。通常把裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量
鏈式反應
核裂變的發現
鈾核的三分裂、四分裂
92235U+01n→54139Xe+3898Sr+201n
?
92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n
?
二分裂
鈾核裂變的產物是多種多樣的，其他裂變方程還有:
1947年我國著名物理學家錢三強、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的 和 。這一研究成果得到了廣泛的認可和贊譽。
鈾核裂變時如果生成物不同，釋放的能量也有差異。如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200 MeV估 算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2 800 t 標準煤完全燃燒時釋放的化學能！
=
1 kg
2800 t
核裂變的發現
已知：????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????????=????????????.????????????????×10-27 kg， ????????=????.????????????????×10-27 kg。求： 1Kg鈾完全裂變釋放的能量。
?
鈾核裂變時的核反應方程為：
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
1kg鈾中含有的鈾核數為：
1Kg鈾完全裂變釋放的能量為：
1個U235發生裂變虧損質量：
1個U235發生裂變釋放的能量：
ΔE=?????????????=?????×????????????.????????????????=200.55MeV
?
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
ΔE=????.????????????×????????24×200.55MeV=8.2×1013J
?
相當于標準煤的質量為：
已知1kg標準煤完全燃燒釋放的熱量是2.94×107J，則1Kg鈾完全裂變釋放的能量相當于多少標準煤完全燃燒釋放的熱量？
原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，在極短時間內能夠釋放大量核能，發生猛烈爆炸。
原子彈的燃料是鈾235或钚239。在天然鈾中只有0.7%的鈾235，剩下的99.3%是不易核裂變的鈾238。為得到高濃度的鈾235，就必須進行同位素分離，形成鈾235含量較高的濃縮鈾。钚239在自然界并不存在，人們利用核反應堆中產生的中子打擊鈾238，生成物衰變后成為钚239，然后再利用化學方法將钚239從鈾238中分離出來。
原子彈
圖5.4-3是“內爆式”原子彈結構圖。核燃料一般被分成若干塊放置，每塊的體積都小于臨界體積。它的外部安放化學炸藥，引爆時利用化學炸藥爆炸的沖擊波將核燃料壓縮至高密度的超臨界狀態，聚心沖擊波同時壓縮放在核燃料球心的中子源，使它釋放中子，引起核燃料的鏈式反應。其中，中子源的四周用鈾238做成中子反射層，使逸出燃料區的部分中子返回，從而，降低中子逃逸率以減小臨界質量，節省核燃料。
原子彈
正確教育
反應堆與核電站
核反應堆
1.核反應堆：人工控制鏈式反應的裝置
吸收中子、控制反應速率
慢中子
(石墨、輕水、重水)
(濃縮鈾)核燃料
屏蔽射線，防止放射性污染。
⑴燃料：鈾棒
熱中子反應堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%?4%）
⑵慢化劑：為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水或普通水。
中子的速度不能太快，否則會與鈾235“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發生核裂變。實驗證明，速度與熱運動速度相當的中子最適于引發核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。
⑶控制棒：在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強來控制反應速度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈式反應的速度就越慢，這樣的鎘棒叫控制棒。
⑷水泥防護層：屏蔽射線防止放射性污染。
核電站工作流程
核電站優點：
①消耗的核燃料少
②污染小
一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30噸左右，而同樣功率的火電站每年要消耗煤250萬噸。核電站對環境的污染比火電站小。
正確教育
核聚變
核聚變
某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核的核反應。
發生聚變的條件: 使原子核間的距離達到 10-15 m以內(原子核需要很大的動能才會“撞”在一起)
方法:
①用加速器加速原子核
②原子核加熱到很高的溫度108～109 K
大陽是一個巨大的熱核反應堆
太陽的巨大能量就是核聚變產生的，幾十億年來，太陽每秒輻射出的能量約為3.8X1026 J，相當于 1千億億噸煤燃燒所放的能量，其中20億分之一左右的能量被地球吸收
氫彈結構示意圖
彈體
引爆裝置
小型原子彈
三種炸藥：
普通炸藥
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂變
聚變
氘、氚、
重氫化鉀等
鈾235
外殼
普通炸藥
受控核聚變
熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。
可控熱核反應將為人類提供巨大的能源,和平利用聚變產生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中國環流器1號”已取得不少研究成果.
比較項目
重核裂變
輕核聚變
放能原理
重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核,放出核能
兩個輕核結合成質量較大的原子核,放出核能
原料的蘊藏量
核裂變燃料鈾在地球上儲量有限,尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%
主要原料是氘,氘在地球上的儲量非常豐富
可控性
速度比較容易進行人工控制,現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能
目前,除氫彈以外,人們還不能控制它
放能多少
聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3~4倍
核廢料處理難度
聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多
實現核聚變的方法
(1)難點：地球上沒有任何容器能夠經受幾百萬開爾文的高溫。
(2)方案：科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。
磁約束：帶電粒子運動時在均勻磁場中會在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。
托卡馬克（環流器）磁約束裝置
慣性約束
由于聚變反應的時間非常短，聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應
慣性約束聚變激光
慣性約束示意圖
1.鈾核可以發生衰變和裂變，鈾核的( )
A.衰變和裂變都能自發發生
B.衰變和裂變都不能自發發生
C.衰變能自發發生而裂變不能自發發生
D.衰變不能自發發生而裂變能自發發生
經典例題
C
答案：C
解析：衰變能自發發生，而鈾發生裂變的條件是有中子轟擊，故C正確，ABD錯誤。
2.我國研制的全球首座20萬千瓦高溫氣冷堆核電站于2021年4月裝料完畢，年底正式發電。該核反應堆用鈾235作核燃料，用石墨作慢化劑，用氦氣作冷卻劑。則( )
A.鈾235的核裂變是它自發分裂成兩個中等核，同時放出中子
B.裂變產生的中等核的比結合能大于鈾235的比結合能
C.石墨在反應堆中的作用是吸收中子，控制反應的速度
D.可用鈾238替代鈾235作為核燃料
經典例題
B
答案：B
解析：鈾235的核裂變必須要有中子轟擊才能分裂成兩個中等核，同時放出多個中子，選項A錯誤；裂變過程會釋放核能，產生的中等核更加穩定，則產生的中等核的比結合能大于鈾235的比結合能，選項B正確；慢中子更容易引發鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；在天然鈾中占99%的鈾238不易核裂變，不能被利用，則不可用鈾238替代鈾235作為核燃料，選項D錯誤。
核裂變與核聚變
核裂變的發現
核聚變
定義
鈾裂變方程
鏈式反應
裂變應用
鏈式反應快：原子彈
鏈式反應慢：核電站
定義
聚變方程
聚變條件
與裂變比較
D
D
日本政府宣布決定將福島第一核電站核污水排入大海，這一消息在國內外引起強烈抗議，為維護國際公共利益和中國人民健康安全，我國已通過外交渠道向日方表明嚴重關切，要求日方切實以負責任的態度審慎對待福島核電站核廢水處置問題。以下關于核能發電的說法正確的是( )
A.核能發電利用的是輕核聚變釋放出來的核能
B.核裂變過程滿足電荷數守恒和質量數守恒
C.核裂變過程中釋放核能是因為新核的比結合能小
D.裂變物質的體積小于臨界體積時才能發生鏈式反應
B
答案：B
解析：核能發電利用的是重核裂變釋放出來的核能，故A錯誤；核反應過程都滿足電荷數守恒和質量數守恒，故B正確；核裂變產生的新核更穩定，比結合能更大，故C錯誤；裂變物質的體積大于臨界體積時才能發生鏈式反應，故D錯誤。
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