《核裂变与核聚变》课件

第五章原子核5.3核裂变与核聚变目录CONTENTS1

学习目标2

新课导入3

新课讲解4

课堂小结5

典例分析当堂小练61.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件。2.了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。3.掌握核聚变的定义及发生条件。4.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。学习目标

较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？新课导入核子平均质量比结合能核子的平均结合能随质量数的变化z核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。新课讲解一、核裂变的发现1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。1、核裂变⑵铀核的三分裂、四分裂铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:

二分裂2、链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。⑴定义⑵链式反应的条件铀矿中子杂质杂质①保证铀235的纯度②临界体积和临界质量：原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。3、核裂变释放大量的能量

一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。原子弹

为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。二、反应堆与核电站通过可控制的链式反应来释放核能的装置。1、反应堆：“热中子（慢中子）”核反应堆示意图水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂⑴燃料：铀棒⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%〜4%）。中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。2、核电站核电站工作流程第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。

在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。⑴核电站工作流程⑵核反应堆的防护措施：由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障——燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障——压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。第四道屏障——安全壳三、核聚变两个轻核结合成质量较大的核的核反应。1、核聚变

一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：

其他聚变反应方程:要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。⑵对物质加热到很高的温度108～109K⑴用加速器加速原子核2、核聚变普遍存在于宇宙中太阳恒星科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。3、核聚变的利用——氢弹普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变

1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功4、可控核聚变的方案⑴磁约束带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。托卡马克装置中国科学院的环流器装置⑵惯性约束

由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。惯性约束示意图1、核裂变的发现⑴裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程⑵链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小2、反应堆与核电站3、核聚变⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核⑵核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应）⑶核聚变的例子：太阳、氢弹课堂小结【例题1】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(

)A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应解析：BD用中子轰击等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。典例分析

【例题2】铀核裂变时的核反应方程为：

1kg铀中含有的铀核数为：1Kg铀完全裂变释放的能量为：1个U235发生裂变亏损质量：1个U235发生裂变释放的能量：

Δm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg

相当于标准煤的质量为：已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当于多少标准煤完全燃烧释放的热量？【例题3】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(

)A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能解析：ABD铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。【例题4】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（）A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加AD解析：与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。【例题4】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（）A.这个反应的核反应方程是B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2A解析：核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；学以致用·随堂检测全达标1．(多选)下列说法正确的是(

)A．核聚变比核裂变产能效率高B．在目前条件下，使原子核聚变要比裂变容易C．氢弹的原理是核裂变反应D．核聚变和核裂变发生后，产生的新核的比结合能比反应前原子核的比结合能大答案：AD解析：核聚变比核裂变产能效率