（高考物理）核裂变和核聚变知识和试题详解分析

问题1：什么是核裂变？为什么重核会发生裂变过程（这个问题高中阶段不做要求，仅供学有余力的同学拓展）？答：元素周期表中，质量数（A）在二百以上的原子核在中子的轰击下分裂成大小差不多相等的两块（每块的质量数一百多），这一过程被称为核裂变。核裂变是德国化学家哈恩于1939年在实验中发现，因核裂变的发现哈恩获得1944年诺贝尔化学奖。奥地利女物理学家迈特纳(L.Meitner)用玻尔的“液滴模型”解释了裂变过程：如图所示，中子被重核俘获后形成复合核，复合核处于激发态，它将发生集体振荡而变形；这一过程中表面张力和库仑斥力在起作用，库仑斥力使核的形变扩大，表面张力使核恢复球形，如果库仑斥力胜过表面张力，被拉长的椭球有可能最终断裂为两半。问题2：与化石能源相比，为什么裂变是更好的获取能源的方式？答：核裂变是释放核能的方法之一，与煤炭、石油等化石能源相比，核裂变释放能量的效率更高。通过如下计算可以加深对上述描述的认识。以U（235）

裂变为Ba（141）和

Kr（92）的过程为例，这一裂变过程的核反应方程为：已知U（235）、中子、Ba（141）

、

Kr（92）的质量分别为235.0439u、1.0087u、140.9139u

、91.8973u，则一个铀核裂变过程中的质量亏损为：Δm

=0.2153u，1u=931.5Mev所以一个铀核裂变过程中释放的能量为：ΔE=0.2153×931.5Mev=200.55Mev1kg铀中含有的铀核数目：所以1kg铀完全裂变可以释放的能量：E=2.6×1024×200.55×1.6×10-13J=8.3×1013J已知燃烧１kg煤所放出的能量为2.94×107J，则1kg铀完全裂变可以释放的能量相当于约2800吨煤完全燃烧释放的能量。问题3：如何使裂变成为可以利用和控制的能源获取方式？答：虽然问题2中已经证明了裂变过程可以获得大量核能，但要利用裂变能，必须使裂变过程可持续、且能够自发进行。这样一个核的裂变产生的中子能够引发一个以上的核发生裂变，让裂变过程自己持续下去，从而源源不断地将核能释放出来的核反应叫做链式反应(chainreaction)，如图所示。问题2中铀235的裂变过程就是一个链式反应过程。但铀核裂变时产生的中子能量在0.1到20MeV（平均约2MeV），不易被铀235俘获，能够使铀235发生裂变且效率高的是热中子（能量约为0.025MeV），因此使链式反应能够持续进行的第一个必要问题就是中子的减速。使中子与质量相差不太大的轻核进行弹性碰撞（为什么不是重核？请尝试利用选必1中碰撞的相关知识自主解释），是慢化中子的有效手段，常用作减速剂的物质有普通水(也叫轻水)、重水和石墨。反应物的体积也是能否产生链式反应的一个重要因素。因为原子核非常小，如果反应物的体积不够大，中子从其中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面。中子的产生量与反应物的体积成正比，其逃逸量与反应物的表面积成正比，所以反应物的体积必须足够大才能保证链式反应的发生。能够发生链式反应的反应物的最小体积叫做临界体积。满足上述条件的链式反应发生时，裂变的数目将按指数规律增大，在极短时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的。如图所示为原子弹两种引爆方式—“枪式”和“内爆式”。要使裂变能成为可以控制的能源获取方式需要使用人工方法控制裂变反应的速率，使核能比较平缓地释放出来。如图所示的核反应堆中利用镉能吸收中子的特性，把镉棒插入其中，通过调节镉棒深度控制裂变反应的速率，使反应堆保持一定的功率安全地工作，反应堆为核能的和平利用开辟了广阔的前景，使核能成为了可控的能源输出方式。问题4：什么是核聚变？为什么核聚变又被称为“热核反应”？答：元素周期表中铁元素以前一批较轻的原子核相撞时融合在一起释放大量能量的核反应称为核聚变反应。聚变是宇宙中能量的主要来源，太阳和其他许多恒星释放能量就是轻核聚变的结果。如图所示为一个氘核与一个氚核聚合成一个氦核的同时放出一个中子的聚变反应过程，其核反应方程为：要让两个原子核进入核力的作用范围（10-15m）发生聚变，必须克服原子核间的库仑斥力。以氘核发生聚变为例，两原子核进入核力作用范围需要的动能（分子的平均动能，k为玻尔兹曼常数）至少要大于等于两者之间的电势能代入玻尔兹曼常数1.380649×10-23

J/K，静电力常量9×109N·m2/C2，q=1.6×10-19C，可得T=5.6×108

K。考虑微观粒子的量子特征，理论估计有效地发生核聚变反应所需的温度可以降低到约108K左右。综上所述，核聚变反应必须在极高的温度下才能进行，因此又被称为热核反应。在此温度下所有原子都完全电离形成了物质的第四态—等离子体。（关于等离子体，在选必2磁流体发电机的介绍中曾略有提及）问题5：为什么轻核聚变是比重核裂变更为理想的获取能源方式？答：与重核的裂变相比，轻核的聚变反应在能源获取方面有以下优势：①能源获取的效率更高。以问题4中聚变反应为例，已知氘核、氚核）、中子、氦核的质量分别为2.0141u、3.016u、1.0087u、4.0026u，上述聚变反应释放的能量ΔE=Δmc2=17.6MeV聚变反应中每个核子的贡献的能量大约是中子诱发裂变反应中每个核子贡献约3～4倍。所以消耗相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量更多。②聚变需要的燃料更易获得。聚变反应中所需的燃料是氘和氚，氘可以从海水中提取：地球上共有约1×1018

t海水，其中含氘约3×1013

t，以一年消耗5.6×105

kg

氘计算，海洋中的氘估计可使用1011年。聚变反应中的氚核是放射性核素（自然界不存在，半衰期为12.5年）可以通过下列反应得到与裂变反应中需要的铀矿资源的有限性相比，聚变反应的燃料可说是取之不尽，用之不竭的。③聚变的产物比裂变更安全。核裂变反应时产生的放射性废料，处理起来比较困难，裂变产物中铀238的半衰期约为4.5×109年。核聚变反应没有放射性废料产生。问题6：如何实现可控核聚变反应？答：通过问题4的描述可知，发生聚变反应的主要困难在于温度。不可控的聚变反应可以通过原子弹的爆炸来获得高温，氢弹就是这样制成的。实现可控的聚变反应必须在108K以上的高温下把一定密度的等离子体约束足够长的时间，以超过点火条件。迄今为止，我们还无法找到一个容器来约束这些高温度的等离子体。因此必须采用其他方式对等离子加以约束，目前存在三种约束方式：①引力约束。太阳中的热核聚变就是由万有引力来约束的，但这需要有恒星那样巨大的质量，不仅在地球上做不到，即使在太阳系中最大的行星--木星上也不能实现。②惯性约束。如图所示，利用强激光（功率约5×1014W）从多个方向同时轰击氘和氚的混合燃料丸（微小球体，直径几毫米），使燃料丸的表面层形成等离子体，在强激光的惯性压力下，内层燃料丸密度迅速增大，直径减小，温度升高，从而引起热核聚变。我国物理学家王淦昌是激光惯性约束聚变理论的创始人之一，但迄今为止，惯性约束方案仍未成功。③磁约束。带电粒子在均匀磁场中运动会受洛伦兹力作用而不飞散，因而可以利用磁场来约束参加反应的物质。磁约