1967重核裂变轻核聚变解析.pptx

6 6、重核的裂变、重核的裂变7 7、轻核的聚变、轻核的聚变核反应核反应核反应核反应电子原子核在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应核子平均质量：核子平均质量：核子的平均质量与原子序数之间的关系核子的平均质量与原子序数之间的关系原子核的质量原子核的质量核子数核子数 物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做的反应叫做裂变裂变把轻核结合成质量较大的核，释放把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做出核能的反映叫做聚变聚变一、裂变一、裂变聚变裂变 1939193919391939年年年年12121212月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的多种多样的多种多样的多种多样的，一种，一种，一种，一种典型的反映是裂变为典型的反映是裂变为典型的反映是裂变为典型的反映是裂变为钡和氪钡和氪钡和氪钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：，同时放出三个中子，其核反应方程是：，同时放出三个中子，其核反应方程是：，同时放出三个中子，其核反应方程是：铀核的裂变铀核的裂变+裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：质量小于裂变前的总质量，质量亏损：释放出的能量为释放出的能量为1kg1kg铀铀235235全部裂变，它放出的能量超过全部裂变，它放出的能量超过28002800t t优质煤完全燃烧时释放的能量优质煤完全燃烧时释放的能量用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应链式反应链式反应链式反应由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一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链式反应使裂变物质能够发生链式反应的最小体积使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的叫做它的临界体积临界体积，相应的质量叫做，相应的质量叫做临界质量临界质量。原子弹美国原子弹突袭广岛和长崎美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎投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掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达尘直冲云天，高达1212英里多英里多广岛市区广岛市区80%80%的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，6400064000人丧生，人丧生，7200072000人受伤，人受伤，伤亡总人数占全市总人口的伤亡总人数占全市总人口的53%53%长崎市长崎市60%60%的建筑物被摧的建筑物被摧毁，伤亡毁，伤亡8600086000人，占全市人，占全市37%37%美美国国投投放放日日本本广广岛岛原原子子弹弹小小男男孩孩解决能源危机根本途径核能1942年费米主持建立了世界上第一个“核反应堆”，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。可开发的核裂变燃料资源可使用上可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。千年。核聚核聚变资源可使用几亿年。变资源可使用几亿年。二、核电站二、核电站 核反应堆核反应堆 通通通通过过过过受受受受控控控控核核核核裂裂裂裂变变变变反反反反应应应应获获获获得得得得核核核核能能能能的的的的装装装装置置置置，可可可可使使使使裂裂裂裂变变变变产产产产生生生生的的的的中中中中子子子子数数数数等等等等于于于于各种过程消耗的中子数各种过程消耗的中子数各种过程消耗的中子数各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应。以形成所谓的自持链反应。以形成所谓的自持链反应。以形成所谓的自持链反应。水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒（吸收中子）（吸收中子）燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减速剂（速度与热运动速度相当的中速度与热运动速度相当的中子最适合引发裂变，称热中子最适合引发裂变，称热中子或慢中子）（常用慢化剂子或慢中子）（常用慢化剂有石墨、重水、和普通水）有石墨、重水、和普通水）链式反应的应用链式反应的应用核电站核电站慢中子慢中子反应堆反应堆二、核电站二、核电站世界第一座核反应堆世界第一座核反应堆（天然铀（天然铀5252吨、高纯石墨吨、高纯石墨10001000多吨，总重多吨，总重14001400吨）吨）中中国国核核电电技技术术核电站的核心是核反应堆核电站的核心是核反应堆,核反应堆的主要组成及其作用核反应堆的主要组成及其作用1.1.核燃料核燃料:反应堆使用浓缩铀反应堆使用浓缩铀(铀铀235235占占3%-4%),3%-4%),制成铀棒作为核制成铀棒作为核燃料燃料,释放核能释放核能.2.2.中子慢化剂中子慢化剂:铀铀235235具有容易俘获慢中子具有容易俘获慢中子,不易俘获快中子的特不易俘获快中子的特点点,而核反应释放的中子多数为快中子而核反应释放的中子多数为快中子,应用慢化剂使它们速应用慢化剂使它们速度降下来度降下来,常用的慢化剂的物质有石墨常用的慢化剂的物质有石墨 重水和普通水重水和普通水(轻水轻水).).3.3.控制棒控制棒:由吸收中子能力很强的镉制成的由吸收中子能力很强的镉制成的,用以控制核反应速用以控制核反应速度度.4.4.保护层保护层:反应堆外层是很厚的水泥壁反应堆外层是很厚的水泥壁,可防止射线辐射可防止射线辐射.5.5.热交换器热交换器:靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动把产生靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动把产生的热量传输出去的热量传输出去.湖湖湖湖南南南南拟拟拟拟建建建建两两两两核核核核电电电电站站站站 小小小小墨墨墨墨山山山山 桃桃桃桃花花花花江江江江重核裂变重核裂变要求掌握：要求掌握：1、知道裂变的概念，知道重核裂变能够释、知道裂变的概念，知道重核裂变能够释放原子核能放原子核能2、知道链式反应及其条件，知道临界体积、知道链式反应及其条件，知道临界体积的概念的概念3、了解裂变反应堆的基本结构和工作原理、了解裂变反应堆的基本结构和工作原理4、认同核能是一种重要的能源，了解核技、认同核能是一种重要的能源，了解核技术的简单应用术的简单应用原子核反应有广泛的应用原子核反应有广泛的应用,如用于核电站等如用于核电站等,在下列核反应中属在下列核反应中属于裂变反应的是于裂变反应的是()()A.A.1010 5 5B+B+1 10 0nn7 73 3Li+Li+4 42 2HeHeB.B.238238 92 92UU234234 90 90Th+Th+4 42 2HeHeC.C.1414 7 7N+N+4 42 2HeHe1717 8 8O+O+1 11 1H HD.D.235235 92 92U+U+1 10 0nn141141 56 56Ba+Ba+92923636Kr+3Kr+31 10 0n n答案答案:D:D当一个重核裂变时当一个重核裂变时,它所产生的两个核它所产生的两个核()()A.A.含有的质子数较裂变前重核的质子数减少含有的质子数较裂变前重核的质子数减少B.B.含有的中子数较裂变前重核的中子数少含有的中子数较裂变前重核的中子数少C.C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D.D.可能是多种形式的两个核的组合可能是多种形式的两个核的组合答案答案:BD:BD裂变反应中释放的能量来自于裂变反应中释放的能量来自于()()A.A.核子消失转化为能量核子消失转化为能量B.B.原子中电子与原子核的电势能减小原子中电子与原子核的电势能减小C.C.入射的中子消失转化为能量入射的中子消失转化为能量D.D.原子核的比结合能变大原子核的比结合能变大,释放出能量释放出能量答案答案:D:D镉棒在反应堆中所起的作用镉棒在反应堆中所起的作用()()A.A.使快中子变成慢中子使快中子变成慢中子B.B.使慢中子变成快中子使慢中子变成快中子C.C.使反应速度加快使反应速度加快D.D.控制反应速度控制反应速度,调节反应速度的快慢调节反应速度的快慢答案答案:D:D核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要有哪四部分组成它主要有哪四部分组成()()A.A.核燃料核燃料 减速剂减速剂 冷却系统冷却系统 控制调节系统控制调节系统B.B.核燃料核燃料 减速剂减速剂 发热系统和传热系统发热系统和传热系统C.C.核燃料核燃料 减速剂减速剂 碰撞系统和传热系统碰撞系统和传热系统D.D.核燃料核燃料 中子源中子源 核能聚存系统和输送系统核能聚存系统和输送系统答案答案:A:A裂变中能量的计算裂变中能量的计算用中子轰击铀核用中子轰击铀核(235235 92 92U),U),其中一个可能反应是分裂成钡其中一个可能反应是分裂成钡(141141 56 56Ba)Ba)和氪和氪(92923636Kr)Kr)两部分两部分,放出了中子放出了中子,各个核的质量如下各个核的质量如下m mU U=390.313910=390.313910-27-27 kg kgm mn n=1.674910=1.674910-27-27 kg kgm mBaBa=234.001610=234.001610-27-27 kg kgm mKrKr=152.604710=152.604710-27-27 kg kg试写出核反应方程试写出核反应方程,算出反应中释放的核能算出反应中释放的核能.解析解析:(1)核反应方程为核反应方程为10n+235 92U141 56Ba+9236Kr+310n(2)核反应前后的质量亏损核反应前后的质量亏损m=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357810-27 kg由爱因斯坦质能方程由爱因斯坦质能方程,得得E=mc2=0.357810-27(3.00108)2 J=3.220210-11 J答案答案:(1)10n+235 92U141 56Ba+9236Kr+310n(2)3.220210-11 J1 1、轻核的聚变轻核的聚变 某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，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。同时放出大量的核能。这种核反应叫做这种核反应叫做聚变聚变。一、核聚变一、核聚变计算下面核聚变放出的能量:氘核的质量：氘核的质量：mmD D2.014102u2.014102u氚核的质量：氚核的质量：mmT T3.016050u3.016050u氦核的质量：氦核的质量：mm 4.002603u4.002603u中子的质量：中子的质量：mmn n=1.008665u=1.008665u计算表明，这个核反应释放的能量是计算表明，这个核反应释放的能量是计算表明，这个核反应释放的能量是计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV 17.6MeV 17.6MeV 17.6MeV。这个量值虽然。这个量值虽然。这个量值虽然。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（比一个铀核裂变产生的能量（比一个铀核裂变产生的能量（比一个铀核裂变产生的能量（201MeV201MeV201MeV201MeV）少，但平均每个核）少，但平均每个核）少，但平均每个核）少，但平均每个核子产生的能量子产生的能量子产生的能量子产生的能量是铀裂变（是铀裂变（是铀裂变（是铀裂变（=0.852MeV0.852MeV0.852MeV0.852MeV）的约）的约）的约）的约4 4 4 4倍。倍。倍。倍。2 2 2 2、发生聚变的条件、发生聚变的条件、发生聚变的条件、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到要使原子核间的距离达到要使原子核间的距离达到要使原子核间的距离达到10101010-15-15-15-15m m m m，核力才能大于电磁力，核力才能大于电磁力，核力才能大于电磁力，核力才能大于电磁力3 3 3 3、实现的方法有、实现的方法有、实现的方法有、实现的方法有:把原子核把原子核把原子核把原子核加热加热加热加热到很高的温度；到很高的温度；到很高的温度；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，需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大因此必须让轻核具有很大因此必须让轻核具有很大因此必须让轻核具有很大的动能。的动能。的动能。的动能。几百万开尔文高几百万开尔文高几百万开尔文高几百万开尔文高温温温温聚变反应又叫热核聚变反应又叫热核聚变反应又叫热核聚变反应又叫热核反应反应反应反应核聚变的利用核聚变的利用氢弹氢弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变弹体弹体引爆装置引爆装置小型小型原子原子弹弹氘、氚等热核氘、氚等热核燃料燃料铀铀235235外壳外壳普通炸药普通炸药世界第一颗氢弹麦克太阳太阳太阳太阳是一个巨大的是一个巨大的是一个巨大的是一个巨大的热核反应堆。热核反应堆。热核反应堆。热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，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太阳和很多恒星的内部温度高达太阳和很多恒星的内部温度高达太阳和很多恒星的内部温度高达101010107 7 7 7 K K K K以上，以上，以上，以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向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。太阳每秒释放的能外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为量约为量约为量约为3.8103.8103.8103.81026262626 J J J J，地球只接受了其中的二，地球只接受了其中的二，地球只接受了其中的二，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在十亿分之一。太阳在十亿分之一。太阳在十亿分之一。太阳在“核燃烧核燃烧核燃烧核燃烧”的过程中的过程中的过程中的过程中“体重体重体重体重”不断减轻。它每秒有亿吨原子核参不断减轻。它每秒有亿吨原子核参不断减轻。它每秒有亿吨原子核参不断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是400400400400万吨。科万吨。科万吨。科万吨。科学家估计，太阳的这种学家估计，太阳的这种学家估计，太阳的这种学家估计，太阳的这种“核燃烧核燃烧核燃烧核燃烧”还能维持还能维持还能维持还能维持90909090亿亿亿亿 100100100100亿年。当然，与人类历史相比，这亿年。当然，与人类历史相比，这亿年。当然，与人类历史相比，这亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！个时间很长很长！个时间很长很长！个时间很长很长！太太太太阳阳阳阳的中心的中心的中心的中心发生发生发生发生核核核核聚聚聚聚变变变变，放出巨大能量，放出巨大能量，放出巨大能量，放出巨大能量，太太太太阳阳阳阳；这个这个这个这个天然的的天然的的天然的的天然的的核聚核聚核聚核聚变过程已经发生变过程已经发生变过程已经发生变过程已经发生了好了好了好了好几几几几十十十十亿亿亿亿年年年年（1 1 1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高效率高效率高1.1.1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点优点优点：（2 2 2 2）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的储量丰富储量丰富储量丰富储量丰富（3 3 3 3）轻核聚变）轻核聚变）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁更安全、清洁更安全、清洁（4 4 4 4）反应中反应中反应中反应中放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。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常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV3.3MeV3.3MeV3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV1MeV1MeV1MeV。1L 1L海水中大约有海水中大约有海水中大约有海水中大约有0.03g0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L300L汽油汽油汽油汽油,轻轻轻轻核聚变是能源危机的终结者。核聚变是能源危机的终结者。核聚变是能源危机的终结者。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。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。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。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。废物的数量少，容易处理。废物的数量少，容易处理。废物的数量少，容易处理。二、受控热核反应二、受控热核反应二、受控热核反应二、受控热核反应核聚变的利用核聚变的利用核聚变的利用核聚变的利用磁约束磁约束磁约束磁约束 带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀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，因此磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此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。有可能利用磁场来约束参加反应的物质。有可能利用磁场来约束参加反应的物质。有可能利用磁场来约束参加反应的物质。2.2.2.2.实现核聚变的实现核聚变的实现核聚变的实现核聚变的难点难点难点难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为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：了解决这个难题，科学家设想了两种方案：了解决这个难题，科学家设想了两种方案：了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.1.1.1.磁约束磁约束磁约束磁约束 2.2.2.2.惯性约束惯性约束惯性约束惯性约束惯性约束惯性约束惯性约束惯性约束 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，使它们加反应的物质，使它们加反应的物质，使它们加反应的物质，使它们“挤挤挤挤”在一起发生反应。在一起发生反应。在一起发生反应。在一起发生反应。轻轻核核聚聚变变两个中子和两个质子可以结合成一个氦核，已知中子的质量是两个中子和两个质子可以结合成一个氦核，已知中子的质量是两个中子和两个质子可以结合成一个氦核，已知中子的质量是两个中子和两个质子可以结合成一个氦核，已知中子的质量是1.0086651.0086651.0086651.008665u u u u，质子的质量是，质子的质量是，质子的质量是，质子的质量是1.0072761.0072761.0072761.007276u u u u，氦核的质量是，氦核的质量是，氦核的质量是，氦核的质量是4.00264.00264.00264.0026u u u u，求此核，求此核，求此核，求此核反应的质量亏损和结合能。反应的质量亏损和结合能。反应的质量亏损和结合能。反应的质量亏损和结合能。(1 1 1 1u u u u=1.6610=1.6610=1.6610=1.6610-27-27-27-27千克千克千克千克，c c c c=310=310=310=3108 8 8 8m m m ms)s)s)s)解：解：解：解：m m m m0.0292820.0292820.0292820.029282u u u u E E E Emcmcmcmc2 2 2 2=0.029282931=0.029282931=0.029282931=0.029282931MeV=MeV=MeV=MeV=27.327.327.327.3MeVMeVMeVMeV或或或或 E E E E mcmcmcmc2 2 2 2 0.029282 1.66100.029282 1.66100.029282 1.66100.029282 1.6610-27-27-27-27 (310(310(310(3108 8 8 8)2 2 2 2 4.37 104.37 104.37 104.37 1012121212J J J J