核裂變核聚變

1、19.6 重核的裂變,核反應(yīng),吸收能量,放出能量,核子結(jié)合成原子核,有些重核分裂成中等質(zhì)量的核,有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核,,,,,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,1.核裂變,2、鈾核的裂變,（1）發(fā)現(xiàn)1939年12月，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變。,,+,→,+,+,,（3）計(jì)算鈾裂變時(shí)釋放的能量,已知鈾核裂變的反應(yīng)：,求：該核反應(yīng)釋放能

2、量；,虧損質(zhì)量：,釋放能量：,Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn) = 0.3578×10－27kg,1kg鈾全部裂變，它放出的能量超過(guò)2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量．,3、鏈?zhǔn)椒磻?yīng),（1）定義：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)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．,,,,發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),爆炸,（2）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

3、臨界體積。,足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量(critical mass)。 鈾-235 的臨界質(zhì)量約為 1 kg，質(zhì)量超過(guò)1 kg 則發(fā)生爆炸。,任何有核反應(yīng)堆的國(guó)家都不難得到爆炸級(jí)的裂變材料，原子彈的基本設(shè)計(jì)又如此簡(jiǎn)單，從而為防止核武器擴(kuò)散帶來(lái)了困難。,原子彈,中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖,原子彈,在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動(dòng)物全部死亡。,“原子彈之

4、父” 奧本海默在核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩(shī)：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個(gè)太陽(yáng)，才能與其爭(zhēng)輝。我是死神，我是世界的毀滅者…”,,美國(guó)原子彈突襲廣島和長(zhǎng)崎造成了巨大的毀傷．在長(zhǎng)崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達(dá)12英里多．廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%．長(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市3

5、7% ．,原子彈,二、核電站——慢中子反應(yīng)堆,核電站,,核心設(shè)施：核反應(yīng)堆 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。,解決能源危機(jī)根本途徑——核能?？砷_(kāi)發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。,,核反應(yīng)堆,通過(guò)受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過(guò)

6、程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustaining chain reaction)。,,秦山核電站,大亞灣核電站,核電站,我國(guó)第一座實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆是在1954年6月建成投入運(yùn)行的，我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制、建造的秦山核電站已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電了；廣東大亞灣電站也已建成，并運(yùn)行發(fā)電了，其發(fā)電量可達(dá)100億度。,三、核電的安全性,核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：第一道屏障——耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。第

7、二道屏障——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。第三道屏障——壓力殼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。第四道屏障——安全殼由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個(gè)核反應(yīng)堆都裝在安全殼中。,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，再排放到指定的區(qū)域。核電站固體廢物的處理：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

8、存，一般要存放幾百年。,§19.7 核的聚變,1 、 輕核的聚變（熱核反應(yīng)）,某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個(gè)較大的原子核，同時(shí)放出大量的核能。這種核反應(yīng)叫做聚變。,一、核聚變,計(jì)算下面核反應(yīng)放出的能量:,氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u,計(jì)算表明，這個(gè)核反應(yīng)釋放的能量是17.6MeV 。這個(gè)量值雖然比一個(gè)鈾核

9、裂變產(chǎn)生的能量（201MeV）少，但平均每個(gè)核子產(chǎn)生的能量,是鈾裂變（ = 0.852MeV）的約4倍。,2、發(fā)生聚變的條件: 要使原子核間的距離達(dá)到10-15m,3、實(shí)現(xiàn)的方法有: 1）用加速器加速原子核； 2）把原子核加熱到很高的溫度；,108～109 K,如何能使輕核具有較大的動(dòng)能呢？,需要克服極大的庫(kù)侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動(dòng)能。,幾百萬(wàn)度高溫,聚變反應(yīng)

10、又叫熱核反應(yīng),核聚變的利用——?dú)鋸?三種炸藥：,普通炸藥,Ｕ235,氘、氚,爆炸,,,裂變,,,,聚變,世界第一顆氫彈——麥克,,1964年10月16日中國(guó)爆炸了第一顆原子彈,1967年6月17日中國(guó)爆炸了第一顆氫彈,,氫彈爆炸形成的磨姑云,太陽(yáng)是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。,熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107 K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。太陽(yáng)每秒釋放的能量約為3.8&

11、#215;1026 J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持90億~100億年。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)的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量，太陽(yáng)；這個(gè)天然的的核聚變過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年,（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高,1.聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：,（2）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富,（3）輕

12、核聚變更安全、清潔,（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較容易,相同的核燃料釋放的能量多。常見(jiàn)的聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量約3.3MeV，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。,1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油,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，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(méi)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)

13、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的數(shù)量少，容易處理。,二、受控?zé)岷朔磻?yīng)——核聚變的利用,磁約束,帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(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)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。,2.實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案：1.磁約束 2.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)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束

14、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“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。,【分析】算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程即可求出反應(yīng)釋放的核能。,解答： （1）,（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：,Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u,∴釋放的核能為,ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV,靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的 原子核，俘獲一個(gè)速度為7.7

15、×104 m/s 的中子而發(fā)生核反應(yīng)放出α粒子后變成一個(gè)新原子核，已知中子速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，測(cè)得α粒子速度為：2×104m/s，方向與中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？寫(xiě)出核反應(yīng)方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子與新核間相互作用不計(jì)，則二者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道半徑之比及周期之比各為多少？,解：,（1）寫(xiě)出核反應(yīng)方程式,生成的新核是氚核,,例2、,,（2）由動(dòng)量守恒定律

16、 mn vn=mα vα +mH vH,vn= 7.7×104 m/s vα = 2×104m/s,∴V H =( mn vn- mα vα )/ mH,= ( 1×7.7×104 - 4 × 2×104 ) ／3,= - 1.0×103 m/s,方向與中子方向相反,（3）由 r=mv/qB∝ mv/q,rα : rH = mαvα/qα