核裂變、核聚匯總

1、核裂變核裂變核核反反應(yīng)應(yīng)吸收能量吸收能量放出能量核子結(jié)合成原子核核子結(jié)合成原子核有些重核分裂成中等質(zhì)量的核有些重核分裂成中等質(zhì)量的核有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核OZABCDEFFe核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量OFe平均結(jié)合能平均結(jié)合能DEFABCz一、重核裂變一、重核裂變19381938年底，德國(guó)物理學(xué)年底，德國(guó)物理學(xué)哈恩哈恩和他的助手和他的助手斯特拉斯特拉斯曼斯曼在用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物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)為中有原子序數(shù)為5656的元素鋇。的元素鋇。奧地利物理學(xué)家奧地利物理學(xué)家邁特納邁特納和和弗里施弗里施對(duì)此做出了解對(duì)此做出了解釋：

2、鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。多的碎塊。弗里斯弗里斯把這類核反應(yīng)定名為把這類核反應(yīng)定名為核裂變核裂變。1 1、核裂變、核裂變（1）發(fā)現(xiàn)）發(fā)現(xiàn)重核分裂成較輕的核的反應(yīng)叫做重核分裂成較輕的核的反應(yīng)叫做核裂核裂變變一一.重核裂變重核裂變1.核裂變核裂變裂變裂變鈾核的裂變鈾核的裂變U23592n10+Ba14156Kr9236+n310n2nU105983391451023592 SrXe 235113690192054380U+ nXe+Sr+10 n 鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的。一種典型的裂變是：鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的。一種典型的裂變是：產(chǎn)物不唯

3、一產(chǎn)物不唯一我國(guó)科學(xué)家我國(guó)科學(xué)家錢三強(qiáng)錢三強(qiáng)、何澤慧何澤慧夫夫婦于婦于1947年在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈾年在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈾核也可能分裂為核也可能分裂為三部分三部分或者或者四四部分部分，其概率大約是分裂為兩，其概率大約是分裂為兩部分的概率的部分的概率的千分之三千分之三kgmu27103139.390kgmn27106749. 1kgmBa27100016.234kgmkr27106047.152已知鈾核裂變的反應(yīng)：已知鈾核裂變的反應(yīng)：U23592n10+Ba14156Kr9236+n310求：（求：（1）該核反應(yīng)釋放的能量）該核反應(yīng)釋放的能量 （2）平均每個(gè)核子釋放的能量）平均每個(gè)核子釋放的能量;-27

4、Um = 390.3139 10kg-27nm = 1.674910kg;-27Bam=234.0016 10kg-27krm= 152.604710kg 235114192192056360U + nBa+Kr + 3 n 2E = mc= 201MeV平均每個(gè)核子釋放的能量？平均每個(gè)核子釋放的能量？nXeSrUn1013954953823592102已知 、 、 、 的質(zhì)量分別是235.0439u 、 93.9154u 、 138.9178u 、 1.0087u求一個(gè)鈾核裂變時(shí)放出的能量（1u相當(dāng)于931.5MeV)U23592Sr9538Xe13954n10)0087. 129178.1

5、389154.93()0439.2350087. 1 (uuuuumu2020. 1MeVMeVE7 .11195 .9312020. 1解:放出的能量已知 、 、 、 的質(zhì)量分別是235.0439u 、140.9139u 、 91.8973u 、 1.0087u求一個(gè)鈾核裂變時(shí)放出的能量（1u相當(dāng)于931.5MeV)U23592Ba14156Kr9236n10nKrBaUn1092361415623592103)0087. 138973.919139.140()0439.2350087. 1 (uuuuumu2153. 0MeVMeVE6 .2005 .9312153. 0解:放出的能量20

6、00t2106kg煤煤1kg鈾鈾2351kg1kg鈾全部裂變，它放出的能量超過(guò)鈾全部裂變，它放出的能量超過(guò)20002000t t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量?jī)?yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量裂變的特點(diǎn)：裂變的特點(diǎn)：1、裂變過(guò)程中能放出巨大的能量（、裂變過(guò)程中能放出巨大的能量（200MeV）2、裂變的同時(shí)能放出、裂變的同時(shí)能放出2到到3個(gè)（或更多）中子個(gè)（或更多）中子3、裂變的產(chǎn)物不是唯一的、裂變的產(chǎn)物不是唯一的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)nKrBan1089361445610235923U由裂變重核裂變產(chǎn)生的中子使反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)3 3、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：（以

7、下條件滿足一個(gè)即可）：（以下條件滿足一個(gè)即可）1 1、裂變物質(zhì)的體積、裂變物質(zhì)的體積大于大于臨界體積臨界體積。2 2、裂變物質(zhì)的質(zhì)量、裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于大于臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量。原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果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，中子在鈾塊通過(guò)時(shí)，就有可能碰不到鈾塊不夠大，中子在鈾塊通過(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)繼續(xù)進(jìn)行下去，能夠發(fā)打中某個(gè)鈾核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)進(jìn)

8、行下去，能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積臨界體積。相應(yīng)的質(zhì)量叫做相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量。重核的裂變能夠自發(fā)的進(jìn)行嗎？重核的裂變能夠自發(fā)的進(jìn)行嗎？35種種元元素素的的200多種多種位素位素同同發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆爆炸炸 裂變反應(yīng)堆：它是能維持和控制核裂變的裝置它包含：堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層1、堆芯：U235燃料棒：濃縮鈾（豐度為燃料棒：濃縮鈾（豐度為90%的的 ）減速劑：重水或石墨。作用讓快中子變?yōu)槁凶訙p速劑：重水或石墨。作用讓快中子變?yōu)槁凶永鋮s劑：水等冷卻劑：水等2、控制棒：鎘或硼鋼等。 作用是吸收慢中子，以控制鏈

9、式反應(yīng)的速度內(nèi)內(nèi)爆爆式式原原子子彈彈槍槍式式原原子子彈彈原子彈原子彈利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短時(shí)間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。 在山田須磨子（一位當(dāng)年的爆炸目擊在山田須磨子（一位當(dāng)年的爆炸目擊者）的一幅畫：在遙遠(yuǎn)的廣島上空，者）的一幅畫：在遙遠(yuǎn)的廣島上空，原子彈爆炸后發(fā)出彩虹一般絢麗的光原子彈爆炸后發(fā)出彩虹一般絢麗的光芒。芒。 中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖原子彈之父原子彈之父奧本海默奧本海默在在核爆觀測(cè)站里感到十分核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一震驚，他想起了印度一首古詩(shī)首古詩(shī)漫天奇光異彩漫天奇光異彩有如圣靈逞威有如圣靈逞威只有一千個(gè)

10、太陽(yáng)只有一千個(gè)太陽(yáng)才能與其爭(zhēng)輝才能與其爭(zhēng)輝我是死神我是死神我是世界的毀滅者我是世界的毀滅者核聚變核聚變22311120H + HHe+ n23411120H + HHe+ nDTnm=m +m -(m +m )= 0.018884u2E = mc=17.59MeV23411120H + HHe+ n= 0.01884931.5MeV17.6= 3.52+ 32MeV201235+1太陽(yáng)太陽(yáng)是一個(gè)巨大的是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。熱核反應(yīng)堆。 熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)10107 7 K K以上，因而在

11、那里進(jìn)行著激烈的熱核反以上，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。應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太太陽(yáng)每秒釋放的能量約為陽(yáng)每秒釋放的能量約為3.83.810102626 J J，地，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在在“核燃燒核燃燒”的過(guò)程中的過(guò)程中“體重體重”不斷減不斷減輕。它每秒有億噸原子核參與碰撞，輕。它每秒有億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400400萬(wàn)噸?？茖W(xué)家估萬(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒核燃燒”還能維持還能維持9090億億 100100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，億年。當(dāng)然

12、，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！ 太太陽(yáng)陽(yáng)的中心的中心發(fā)生發(fā)生核聚核聚變變，放出巨大放出巨大能量，太能量，太陽(yáng)陽(yáng)；這個(gè)這個(gè)天然的的核聚天然的的核聚變過(guò)變過(guò)程已經(jīng)發(fā)生程已經(jīng)發(fā)生了好了好幾幾十十億億年年磁約束磁約束 帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中會(huì)洛倫茲力的磁場(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)。加反應(yīng)的物質(zhì)。4.4.實(shí)現(xiàn)核聚變的實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)難點(diǎn)：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

13、性約束下，可性還來(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“擠擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。在一起發(fā)生反應(yīng)。23411120H + HHe+ n（1 1）輕核聚變產(chǎn)能）輕核聚變產(chǎn)能效率高效率高1.1.聚變與裂變相比的聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（2 2）地球上聚變?nèi)剂系模┑厍蛏暇圩內(nèi)剂系膬?chǔ)量豐富儲(chǔ)量豐富（3 3）輕核聚變）輕核聚變更安全、清潔更安全、清潔（4 4）常見的聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出常見的聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量約的能量約3.3MeV3.3MeV，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子

14、釋放的能量約為1MeV1MeV。 1L海水中大約有海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒燃燒300L汽油汽油,輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。 實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，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。反應(yīng)就自動(dòng)終止了。 氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，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聚變時(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)

15、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。的數(shù)量少，容易處理。 核能的利用與環(huán)境保護(hù)核能的利用與環(huán)境保護(hù)核電站秦山核電站秦山核電站利用可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋利用可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出能量發(fā)電。核心放出能量發(fā)電。核心設(shè)備是設(shè)備是核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆。思考：在電站工作過(guò)程中，能是如何轉(zhuǎn)化的？思考：在電站工作過(guò)程中，能是如何轉(zhuǎn)化的？ 核能核能內(nèi)能內(nèi)能機(jī)械能機(jī)械能電能電能 核電站的發(fā)電原理核電站的發(fā)電原理核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理：核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理：采取貯存衰變等方法進(jìn)行稀釋，再排放到指定采取貯存衰變等方法進(jìn)行稀釋，再排放到指定的區(qū)域。的區(qū)域。核電站固體廢物的處理：核電站

16、固體廢物的處理：先在核電站內(nèi)專用的廢物庫(kù)暫存，然后送到人先在核電站內(nèi)專用的廢物庫(kù)暫存，然后送到人煙稀少、地質(zhì)穩(wěn)定、地下水位低又遠(yuǎn)離天然水煙稀少、地質(zhì)穩(wěn)定、地下水位低又遠(yuǎn)離天然水源的放置場(chǎng)永久貯存，一般要存放幾百年。源的放置場(chǎng)永久貯存，一般要存放幾百年。核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：第一道屏障第一道屏障耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把可以把98%98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。第二道屏障第二道屏障燃料元件包殼燃料元件包殼由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障第三道屏障壓力殼壓力殼將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。件包殼少量射線泄漏。第四道屏障第四道屏