19.6、7--核裂变核聚变课件

1、6 核裂变7 核聚变,核反应,吸收能量,放出能量,核子结合成原子核,使较重的核分裂成中等大小的核,把较小的核合并成中等大小的核,一、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,铀核裂变的产物是多样的。 一种典型的裂变是：,一、核裂变,一、核裂变,2、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，叫核裂变的链式反应。,动画,一、核裂变,3、临界体积和临界质量,铀块的

2、大小是链式反应能否进行的重要因素。 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，使链式反应进行下去。 通常把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。,一、核裂变,4、裂变核能,铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。 请计算：一个铀核235裂变时释放的能量如果按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。1t标准煤燃烧时发出2.931010J的热量。,

3、一、核裂变,STS 原子弹与科学家的责任,一、核裂变,STS 原子弹与科学家的责任,一、核裂变,STS 原子弹与科学家的责任,二、核电站,原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。 在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。 1942年，费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。,慢化剂： 中子的速度不能太快，否则会与铀235原子核“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裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。但是，裂变产生的是速度很大的快中子，因此还要设法使快中子减速

4、。为此，在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。 常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）,二、核电站,控制棒： 为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉棒吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。 这种镉棒叫做控制棒。,二、核电站,视频 核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的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。 反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电。,二、核电站,二、核

5、电站,二、核电站,科学漫步 石墨堆、重水堆、轻水堆 压水堆、沸水堆 快中子增殖反应堆,二、核电站,核电站种类,7 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。这种核反应叫做核聚变。,一、核聚变,2、聚变核能,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大34倍,3、发生聚变的条件: 要使原子核间的距离达到10-15m,4、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；,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K高温,聚变反应又叫热核反应,核聚变的利用氢

6、弹,世界第一颗氢弹麦克,我国第一颗氢弹爆炸成功,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，太阳的中心温度达1.5107 K，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，辐射出的能量与400万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。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，这个天然的核聚变过程已经发生了好几十亿年,（1）轻核聚变产能效率高,1.聚变与裂变相比

7、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1MeV。,1L海水中大约有0.03g氘，大约有40多万亿吨氘。锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。,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。,氘和氚聚变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。,二、受控热核反应核聚变的利用,磁约

8、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。,2.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。,【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。,解答： （1）,（2）由题给条件可求得质量亏损为：,m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u,释放的核能

9、为,E=mc2=931.50.0035=3.26MeV,静止在匀强磁场中的 原子核，俘获一个速度为7.7104 m/s 的中子而发生核反应放出粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得粒子速度为：2104m/s，方向与中子速度方向相同，求： （1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。 （2）生成的新核的速度大小和方向。 （3）若粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？,解：,（1）写出核反应方程式,生成的新核是氚核,例2、,（2）由动量守恒定律 mn vn=m v +mH vH,vn= 7.7104 m/s v = 2104m/s,V H =( mn vn- m v )/ mH,= ( 17.7104 - 4 2104 ) 3,= - 1