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第五章 原子與原子核
第五節 裂變和聚變
太陽為何能持續燃燒數十億年而不熄滅？原子彈與氫彈的威力為何相差懸殊？這些震撼人心的現象背后，隱藏著原子核的兩種 “終極反應”——核裂變與核聚變。前者通過重核（如鈾 - 235）的分裂釋放能量，支撐核電站運轉；后者通過輕核（如氫的同位素）的結合釋放更巨大的能量，是恒星發光發熱的根源。
1.了解核裂變和核聚變的概念和原理
2.了解核能的應用
一、核裂變與鏈式反應
鐵（Fe）原子的比結合能最大
核子結合成鐵原子核或鐵附近的原子核(中等大小的核)時，每個核子平均放出的能量大
如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核結合成中等大小的核，每個核子平均放出的能量比吸收的能量大，故反應會釋放能量。
總結：使較重的核分裂成中等大小的核會釋放能量
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
1.核裂變
2.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:裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積
相應的質量：臨界質量
1kg鈾235全部裂變時放出的能量相當于多少標準煤完全燃燒時釋放的化學能？
已知一個92235U核裂變時能釋放200 MeV的能量，燃燒1kg煤所放出的能量為2.94×107J.請從數量級上感受鈾完全裂變釋放的能量與燃燒煤釋放的能量的差異。
?
分析：可以比較1kg92235U?完全裂變和1kg煤完全燃燒所釋放的能量，計算1kg鈾235完全裂變時所放出的能量相當于完全燃燒的煤的質量
?
解：1kg92?235U?含有的原子數目
?
????=????????????????????????????=10.235×6.02×1023=2.6×1024
?
而200MeV相當于3.2×10?11???? ，則1kg鈾完全裂變釋放能量
?
所釋放的能量相當于完全燃燒的煤的質量
=????1????煤=2.8×106????????=2800?????
?
????煤
如果 1 kg 鈾全部裂變，它放出的能量就相當于 2800 t 標準煤完全燃燒時放出的化學能。
=
1 kg
2800 t
二、核聚變及受控熱核反應
中等大小的核的比結合能較大
平均每個核子的質量虧損最大
核子平均質量
比結合能
z
核子結合成鐵原子核或鐵附近的原子核(中等大小的核)時，每個核子平均放出的能量大
如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核結合成中等大小的核，核子將發生新的質量虧損，釋放新的結合能，故反應會釋放能量。
總結：把較小的核聚合成中等大小的核，都會釋放能量
1.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108～109K
熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性
(1)輕核聚變產能效率高
(2)地球上聚變燃料的儲量豐富
（每升水中就含有 0.03 g 氘，地球上有 138.6 億億立方米的水，大約有 40 萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000 億噸）
(3)輕聚變更為安全、清潔
（高溫不能維持反應就能自動終止，聚變產生的氦是沒有放射性的。廢物主要是泄露的氘，高速中子，質子與其他物質反應生成的發射性物質，比裂變反應堆生成的廢物數量少，容易處理）
2.受控核聚變
3.實現可控核聚變的兩種方案：
磁約束和慣性約束
總結：重核裂變與輕核聚變的區別
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
三、核能利用
1.核電站：
核電站是利用原子核裂變反應釋放出能量，經能量轉化而發電的。
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。
除了核電站以外，還能制作核動力潛艇，破冰船和核動力航母
2.核反應堆：
由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應堆的燃料。
①鈾棒：
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作為慢化劑，附著在鈾棒周圍，使反應生成的快中子變為慢中子，便于被鈾235“捉”住，發生核裂變。
屏蔽射線，防止放射性污染。
④水泥防護層：
主要作用是吸收中子，控制反應速度，所以叫作控制棒。
③鎘棒：
1. 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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2.秦山核電站是我國自行設計、建造和運營管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站．在一次核反應中一個中子轟擊92235????變成54136????????、3890????????和若干個中子，已知92235????、54136????????、3890????????的比結合能分別為7.6 MeV、8.4 MeV、8.7 MeV，則(　　)
A．該核反應方程為92235????+01n―→54136????????+3890????????+901n
B．要發生該核反應需要吸收能量
C．3890????????比54136????e更穩定
D．該核反應中質量增加
?
C
3.如圖是核反應堆的示意圖，對核反應堆的認識，下列說法正確的是( )
A. 鈾棒是核燃料，核心物質是鈾238
B. 石墨起到吸收中子的作用
C. 鎘棒起到使中子減速的作用
D. 水泥防護層的作用是為了阻隔γ射線，
避免放射性危害
D
4.如圖所示是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法中正確的是(　　)
A．鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，
變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應
C．控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D．要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些
B
裂變和聚變
核裂變與鏈式反應
核聚變及受控熱核反應
定義：少數重核受粒子打擊，分裂成質量較小的核，釋放核能的反應
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，且能不斷繼續下去
定義：輕核結合成質量較大的原子核的反應
受控熱核反應：熱核反應所釋放的巨大能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來并加以利用。
核能利用
核電站
核反應堆
原子彈
氫彈

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