核裂變與核聚變 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

5.4核裂變與核聚變核心素養(yǎng)目標(biāo)1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì)2.認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念3.能用質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程計(jì)算核能相關(guān)作用問(wèn)題引入較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并中等大小的核的過(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，利用的就是這樣核能，在這些裝置中，核能使怎樣被轉(zhuǎn)化和使用的呢？

1.裂變:重核分裂成質(zhì)量較小的核，并釋放核能的反應(yīng)。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)中子2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)條件：每次裂變產(chǎn)生的中子，至少平均有一個(gè)能引發(fā)新的裂變①保證的純度←提純②鈾塊的大小臨界體積:裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積相應(yīng)的質(zhì)量：臨界質(zhì)量多種多樣3.二分裂三分裂四分裂...概率：二分裂的二分裂的質(zhì)量數(shù)守恒，電荷守恒4.核裂變的標(biāo)準(zhǔn)煤

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!=二、反應(yīng)堆與核電站

1.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)堆與核電站2.反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．反應(yīng)堆與核電站(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度．反應(yīng)堆與核電站(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過(guò)水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面．反應(yīng)堆與核電站反應(yīng)堆與核電站3.核電站的能量轉(zhuǎn)化重水重水是兩個(gè)氘原子與一個(gè)氧原子形成的化合物，它的化學(xué)性質(zhì)與普通水相同，但分子質(zhì)量比普通水的大。在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒，為什么？答案：鎘有吸收中子的特性，減少中子的數(shù)目，可以控制能量釋放的速度，而原子彈需要在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸，不需要控制速度，故不需要鎘棒。三、核聚變

思考與討論:要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10-15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫(kù)侖斥力。也就是說(shuō)，原子核要有很大的動(dòng)能才會(huì)“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動(dòng)能而發(fā)生核聚變呢？

有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。核聚變

實(shí)際上，熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆（圖5.4-7）。太陽(yáng)的主要成分是氫。太陽(yáng)的中心溫度達(dá)1.6×107K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，不斷地放出能量。太陽(yáng)每秒輻射出的能量約為3.8×1026J，相當(dāng)于1000億億噸煤燃燒所放出的能量

其中20億分之一左右的能量被地球接收?，F(xiàn)在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來(lái)自太陽(yáng)，即太陽(yáng)內(nèi)部核聚變時(shí)釋放的核能核聚變

太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應(yīng)。科學(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！太陽(yáng)的壽命已經(jīng)有50億年了核聚變

目前，人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖5.4-8所示，首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。

此外，人們也一直在努力嘗試實(shí)現(xiàn)可控的人工核聚變，進(jìn)而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，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。第二，地球上核聚變?nèi)剂想碗皟?chǔ)量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。核聚變

然而，核聚變需要的溫度太高，地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。這構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)可控核聚變的主要困難。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。

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。如圖5.4-9，環(huán)流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）是目前性能最好的一種磁約束裝置。核聚變

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)

在我國(guó)，中國(guó)工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)受控核聚變還有一段很長(zhǎng)的路要走核聚變

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

如圖5.4-6，一個(gè)氘核與一個(gè)氚核聚合成一個(gè)氦核的同時(shí)放出一個(gè)中子，釋放17.6MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3?4倍。這時(shí)的核反應(yīng)方程是問(wèn)題有：１、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；２、如何約束聚變所需的燃料；慣性約束３、反應(yīng)裝置中的氣體密度要很低，相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬(wàn)分之一；現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。1.我國(guó)新一代可控核聚變研究裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”（又被稱為“人造太陽(yáng)”）將在2020年投入運(yùn)行，其所發(fā)生的可控核聚變方程是

已知

、

、

和X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3和m4，真空中的光速為c，下列說(shuō)法正確的是（）A．X是質(zhì)子B．大亞灣核電站利用核聚變發(fā)電C．該核反應(yīng)所釋放的核能為D．

和

的結(jié)合能之和大于的結(jié)合能課堂訓(xùn)練解析：A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X是中子，A錯(cuò)誤；B．大亞灣核電站是利用重核裂變來(lái)發(fā)電，B錯(cuò)誤；C．根據(jù)質(zhì)能方程，該核反應(yīng)所釋放的核能為C正確；D．比結(jié)合能大的原子核更穩(wěn)定，一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，釋放能量，則

更穩(wěn)定，比結(jié)合能更大，核子數(shù)守恒，則

和

的比結(jié)合能之和小于

的比結(jié)合能，D錯(cuò)誤。故選C。答案：C課堂訓(xùn)練課堂練習(xí)2.利用重核裂變釋放核能時(shí)選用鈾235，主要因?yàn)椋ǎ〢.它比較容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B.能自動(dòng)裂變，與體積無(wú)關(guān)C.鈾核比較容易分裂成為三部分或四部分，因而放出更多的核能D.鈾235價(jià)格比較便宜，而且它裂變時(shí)放出的核能比其他重核裂變時(shí)放出的核能要多D課堂練習(xí)3.鎘棒在核反應(yīng)堆中所起的作用是（）A.使快中子變成慢中子B.使慢中子變成快中子C.使反應(yīng)速度加快D.控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢D1、核裂變