5.4 核裂變與核聚變-1

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核裂變與核聚變第五章原子核目錄CONTENTS核裂變的發(fā)現(xiàn)01核聚變反應(yīng)堆與核電站0302思考與討論：

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(guò)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(zhuǎn)化和使用的呢？核電站原子彈核裂變的發(fā)現(xiàn)011938年底，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。

奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此做出了解釋，鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為核裂變。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)哈恩邁特納一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變：物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變。+→++一、核裂變的發(fā)現(xiàn)2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。1947年，我國(guó)著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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

。3.核裂變釋放大量的能量

一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能!一、核裂變的發(fā)現(xiàn)拓展學(xué)習(xí)：原子彈是利用重核裂變的鏈?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。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(jìn)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(yīng)堆中產(chǎn)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(xué)方法將钚239從鈾238中分離出來(lái)。圖5.4-3是“內(nèi)爆式”原子彈結(jié)構(gòu)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(xué)炸藥，引爆時(shí)利用化學(xué)炸藥爆炸的沖擊波將核燃料壓縮至高密度的超臨界狀態(tài)，聚心沖擊波同時(shí)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?zhǔn)椒磻?yīng)。其中，中子源的四周用鈾238做成中子反射層，使逸出燃料區(qū)的部分中子返回，從而，降低中子逃逸率以減小臨界質(zhì)量，節(jié)省核燃料。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆與核電站02二、反應(yīng)堆與核電站原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。反應(yīng)堆核心設(shè)施：濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：石墨、重水或普通水，

用于減小中子的速度。控制棒：鎘棒，用于吸收中子，

控制核反應(yīng)的快慢。二、反應(yīng)堆與核電站第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過(guò)堆芯時(shí)核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高，進(jìn)入熱交換器后，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆里。在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。建造核電站時(shí)需要特別注意防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，以避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成放射性污染。

為此，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。二、反應(yīng)堆與核電站核聚變03三、核聚變1.核聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2.核聚變條件：使原子核間的距離達(dá)到10-15m3.實(shí)現(xiàn)的方法：把原子核加熱到溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開爾文4.核聚變應(yīng)用：氫彈5.天然核聚變：太陽(yáng)的核燃燒三、核聚變?nèi)?、核聚?.核聚變的優(yōu)點(diǎn)：（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說(shuō)，相同質(zhì)量的核燃料，反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比較多；（2）地球上核聚變?nèi)剂想碗皟?chǔ)量豐富；（3）輕核聚變更為安全、清潔。7.實(shí)現(xiàn)可控核聚變的困難：

三、核聚變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。8.解決的兩種方案：

（1）磁約束：帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束。三、核聚變8.解決的兩種方案：

（2）慣性約束：利用核聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)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(gè)方向照射參加反應(yīng)物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。由于核聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。課堂練習(xí)041．我國(guó)物理學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦，1946年在法國(guó)巴黎發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和四分裂，這是我國(guó)科學(xué)家在核物理研究中做出的貢獻(xiàn)，這是將中子打入鈾核后所發(fā)生的核反應(yīng)，它屬于（）A．人工核轉(zhuǎn)變

B．重核的裂變

C．鈾核的衰變

D．輕核的聚變B【答案】B【詳解】核裂變是一個(gè)原子核分裂成幾個(gè)原子核的變化，中子打入鈾核后所發(fā)生的核反應(yīng)是重核裂變反應(yīng)。故選B。2．關(guān)于核反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．過(guò)量放射性輻射對(duì)人體組織有破壞作用，所以輻射強(qiáng)度應(yīng)嚴(yán)格控制在安全劑量?jī)?nèi)B．核電站反應(yīng)堆中需要用鎘棒控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度C．核反應(yīng)堆中存在核反應(yīng)方程為

的核反應(yīng)D．核裂變反應(yīng)中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和D【答案】D【詳解】A．過(guò)量放射性輻射對(duì)人體組織有破壞作用，所以輻射強(qiáng)度應(yīng)嚴(yán)格控制在安全劑量?jī)?nèi)，故A正確；B．鈾核裂變可通過(guò)反應(yīng)堆中的鎘棒控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度，故B正確；C．根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可知，核反應(yīng)堆中存在核反應(yīng)方程為

的核反應(yīng)，故C正確；D．核反應(yīng)中釋放的能量等于生成物的結(jié)合能之和減去反應(yīng)物的結(jié)合能之和，核裂變會(huì)釋放能量，所以生成物的結(jié)合能必然大于反應(yīng)物的結(jié)合能，故D錯(cuò)誤。本題選錯(cuò)誤的，故選D。3．2023年4月12日我國(guó)有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置——東方超環(huán)（EAST）創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，對(duì)探索未來(lái)的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟(jì)性、可行性，加快實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義，下列說(shuō)法正確的是（）A．目前人類只能通過(guò)裂變利用核能B．核反應(yīng)只有裂變與聚變兩種，α衰變也屬于裂變C．地球上核聚變?nèi)剂想畠?chǔ)量豐富，氚則需要制取C【答案】C【詳解】A．目前人類可以通過(guò)裂變和聚變利用核能。故A錯(cuò)誤；B．核反應(yīng)有裂變、聚變、衰變和人工轉(zhuǎn)變四種，α衰變屬于衰變。故B錯(cuò)誤；C．地球上核聚變?nèi)剂想畠?chǔ)量豐富，氚則需要制取。故C正確；DA．反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變B．因存在質(zhì)量虧損?m，所以“物質(zhì)不滅”的說(shuō)法不正確C．氘核具有的能量即為核反應(yīng)釋放的能量D．核反應(yīng)釋放的能量為(m1+m2+m3)c2【答案】D【詳解】A．該聚變反應(yīng)的過(guò)程中向外釋放能量，因而有質(zhì)量虧損，反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的