核裂变、核聚.ppt

1、核裂变,核反应,吸收能量,放出能量,核子结合成原子核,有些重核分裂成中等质量的核,有些轻核结合成中等质量的核,一、重核裂变,1938年底，德国物理学哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里斯把这类核反应定名为核裂变。,1、核裂变,（1）发现,重核裂变演示：,重核分裂成较轻的核的反应叫做核裂变,一.重核裂变,1.核裂变,铀核的裂变,+,+,+,铀核裂变的产物是多样的。一种典型的裂变是：,产物不唯一,我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中观察到铀

2、核也可能分裂为三部分或者四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的千分之三,已知铀核裂变的反应：,+,+,+,求：（1）该核反应释放的能量 （2）平均每个核子释放的能量,（2）计算铀裂变时释放的能量,（2）计算铀裂变时释放的能量,已知铀核裂变的反应：,求：该核反应释放能量；,亏损质量：,释放能量：,m = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn) = 0.35781027kg,平均每个核子释放的能量？,已知 、 、 、 的质量分别是 235.0439u 、 93.9154u 、 138.9178u 、 1.0087u 求一个铀核裂变时放出的能量（1u相当于931.5MeV),解:,放出的

3、能量,（2）计算铀裂变时释放的能量,已知 、 、 、 的质量分别是 235.0439u 、140.9139u 、 91.8973u 、 1.0087u 求一个铀核裂变时放出的能量（1u相当于931.5MeV),解:,放出的能量,（2）计算铀裂变时释放的能量,巨大的核能,2000t2106kg煤,1kg铀235,1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量,裂变的特点：,1、裂变过程中能放出巨大的能量（200MeV）,2、裂变的同时能放出2到3个（或更多）中子,3、裂变的产物不是唯一的,链式反应,由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反

4、应,3、链式反应,（1）定义：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，叫做核裂变的链式反应,链式反应,链式反应的条件：（以下条件满足一个即可）,1、裂变物质的体积大于临界体积。 2、裂变物质的质量大于临界质量。,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，中子在铀块通过时，就有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续，只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应继续进行下去，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。相应的质量叫做临界质量。,重核的裂变能够自发的进行吗？,发生链式反应,爆炸,发生链式反应的条件： 铀块的质量

5、大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。,核反应堆,通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以形成所谓的自持链反应(self-sustaining chain reaction)。,裂变反应堆：它是能维持和控制核裂变的装置 它包含：堆芯、中子反射层、控制系统和防护层,1、堆芯：,燃料棒：浓缩铀（丰度为90%的 ）,减速剂：重水或石墨。作用让快中子变为慢中子,冷却剂：水等,2、控制棒：镉或硼钢等。 作用是吸收慢中子，以控制链式反应的速度,核电站慢中子反应堆,内 爆 式 原 子 弹,枪 式 原 子 弹,原子弹,利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能

6、够释放大量核能，发生猛烈爆炸。,足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。,任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。,美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ,原子弹,原子弹,在山田须

7、磨子（一位当年的爆炸目击者）的一幅画：在遥远的广岛上空，原子弹爆炸后发出彩虹一般绚丽的光芒。,原子弹,中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图,可怕的美丽,可怕的美丽,原子弹之父奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗 漫天奇光异彩 有如圣灵逞威 只有一千个太阳 才能与其争辉 我是死神 我是世界的毁灭者,核聚变,一、核聚变,1 、 轻核的聚变（热核反应）,某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做聚变。,一、核聚变,计算下面核反应放出的能量:,氘核的质量：mD2.014102u 氚核的质量：mT3.016050u 氦核的质量：m4.002603u

8、中子的质量：mn=1.008665u,计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV 。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，但平均每个核 子产生的能量,是铀裂变（ = 0.852MeV）的约4倍。,太阳是一个巨大的热核反应堆。,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107 K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3.81026 J，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。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持

9、90亿100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！,太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，太阳；这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年,2、发生聚变的条件: 要使原子核间的距离达到10-15m,3、实现的方法有: 1）用加速器加速原子核； 2）把原子核加热到很高的温度；,108109 K,如何能使轻核具有较大的动能呢？,需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。,几百万度高温,聚变反应又叫热核反应,磁约束,带电粒子运动时在均匀磁场中会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。,4.实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个

10、难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束 2.惯性约束,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。,核聚变的利用氢弹,三种炸药：,普通炸药,235,氘、氚,爆炸,裂变,聚变,世界第一颗氢弹麦克,氢弹爆炸形成的磨姑云,（1）轻核聚变产能效率高,1.聚变与裂变相比的优点：,（2）地球上聚变燃料的储量丰富,（3）轻核聚变更安全、清洁,（4）反应中放射物质的处理较容易,相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1

11、MeV。,1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。,实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。,氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。,受控热核反应核聚变的利用,核能的利用与环境保护,核电站,秦山核电站,大亚湾核电站,利用可控链式反应释放出能量发电。核心设备是核反应堆。,核电站慢中子反应堆,思考：在电站工作过程中，能是如何转化的？,核能内能机械能电能,核电站的发电原理,核电站,核心设施

12、：核反应堆 浓缩铀制成的铀棒,减速剂：,石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度,控制棒：镉棒，用于吸收中子， 控制核反应的快慢。,解决能源危机根本途径核能。 可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。 核聚变资源可使用几亿年。,核电站放射性气态废物和液态废物的处理： 采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。 核电站固体废物的处理： 先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。,三、核电的安全性,核反应堆的防护措施： 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