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第 五 章 原子核
第4節 核裂變與核聚變
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。
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?
秦山核電站
原子彈
一、核裂變
1938年底，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過程中發現，生成物中有原子序數為56的元素鋇。
奧地利物理學家邁特納和弗里施對此做出了解釋，鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊。弗里施借用細胞分裂的生物學名詞，把這類核反應定名為核裂變。
1、定義：重核分裂成質量較小的核，并釋放核能的反應叫做核裂變。
2.鈾核的裂變
典型的鈾核裂變反應：
用中子轟擊鈾核時，鈾核可能發生裂變，其產物也是多種多樣的，核裂變中放出中子，數目有多有少，中子的速度也有快有慢。
鈾核裂變不僅有常見的二分裂，還有發生概率很低的三分裂和發生概率極低的四分裂現象。
我國科學家錢三強、何澤慧夫婦于1947年在實驗中發現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 1/300和 1/5 000 。這一研究成果得到了廣泛的認可和贊譽。
3.鏈式反應
當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，使核裂變反應一代接一代繼續下去，這個過程叫做核裂變的鏈式反應．
發生鏈式反應的條件：
鈾塊的質量大于臨界質量，
或鈾塊體積大于臨界體積。
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。
4.裂變反應的能量
鈾核裂變時如果生成物不同，釋放的能量也有差異。
鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發生鏈式反應，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！
“熱中子（慢中子）”核反應堆示意圖
反應堆：通過可控制的鏈式反應
來釋放核能的裝置。
1.核燃料：濃縮鈾235
2.減速劑：石墨、重水、普通水，使中子減速，易于捕獲
3.控制棒：鎘，吸引中子，控制鏈式反應的快慢
核燃料發生核裂變釋放的能量使反應區溫度升高。水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時也使反應堆冷卻。
二、核電站
第一回路中的水被泵壓入反應堆，通過堆芯時核心反應放出的熱使水的內能增加，水溫升高。第一回路的水進入交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應堆。
在熱交換器內，第二回路中的水被回熱生成高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機運轉。
核電站工作流程
核電站優缺點：
（1）優點：①污染小；②可采儲量大；③比較經濟。
（2）缺點：①一旦核泄漏會造成嚴重的核污染；
②核廢料處理困難。
核污染的處理：
在反應堆外面修建很厚的水泥層，用來屏障裂變反應放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性。需要裝入特制的容器深埋地下。
三、核聚變
1. 核聚變：兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。
2. 核聚變條件：使原子核間的距離達到10-15m
3. 實現的方法：把原子核加熱到溫度達到幾百萬開爾文
當物質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，發生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。
4. 核聚變應用： 氫彈
5. 天然核聚變： 太陽的核燃燒
6. 核聚變的優點：
① 輕核聚變產能效率高；（相同質量的核燃料，反應中產生的能量比較多）
② 地球上核聚變燃料氘和氚儲量豐富；
③ 輕核聚變更為安全、清潔。
7. 實現可控核聚變的困難：
核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。
8.可控核聚變的兩種方案
①磁約束
中國科學院的環流器裝置
（1）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，利用磁場約束參加反應的物質，目前最好的一種磁約束裝置是環流器。
②慣性約束
激光或X射線
（2）慣性約束：聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用激光從各個方向照射反應物，使它們“擠”在一起發生反應。
1.(多選)關于重核裂變的說法正確的是(　　)
A.重核裂變為兩個中等質量的核時，重核的中子數要比裂變后的兩個中等質量核的中子數多
B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發生鏈式反應
C.為了使裂變的鏈式反應容易發生，不能利用裂變時產生的中子
D.裂變過程中釋放能量，質量虧損
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2.我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎.下列關于聚變的說法正確的是（ ）
A.核聚變比核裂變更為安全、清潔
B.任何兩個原子核都可以發生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
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3.能源是社會發展的基礎，發展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應方程，表述正確的有（　 　）
A． 是人工核反應
B． 是核裂變反應，該反應吸收能量
C．由于裂變比聚變產能效率高，目前的核電站是利用的裂變，用減速劑把快中子變為熱中子，用鎘棒控制反應速度
D．核聚變溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度，科學家設想的解決方案是磁約束和慣性約束
D
4.關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　)
A.一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多
B.聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大
C.聚變反應中粒子的比結合能變小
D.聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增加
B
鏈式反應的條件：
重核分裂成質量較小的核，并釋放核能的反應
核裂變與核聚變
核裂變
核聚變
裂變方程：92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n(以鈾核為例）
?
核反應堆與核電站的工作流程
臨界體積、臨界質量
兩個輕核結合成質量較大的核的反應
聚變方程：12H+13H→24He+01n
?
優點：產能效率高；聚變燃料的儲量豐富；更安全、清潔
實現可控核聚變的方法：磁約束、慣性約束

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