核裂变核聚变课件.ppt

19.6.7-19.6.7-核裂变核裂变-核核聚变聚变核核反反应应吸收能量吸收能量放出能量核子结合成原子核核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的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有些轻核结合成中等质量的核核子平均质量核子平均质量平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做出核能的反应叫做核裂变核裂变一一.核裂变核裂变1.核裂变核裂变（1 1）19381938年底，德国化学家哈恩和斯特拉斯用年底，德国化学家哈恩和斯特拉斯用中子轰击铀核时发现了核裂变中子轰击铀核时发现了核裂变 重核的裂变重核的裂变即：一个重核分裂成了即：一个重核分裂成了两个中等质量两个中等质量的核。的核。（2）裂变产物）裂变产物多种多样多种多样+（3）计算铀裂变时释放的能量）计算铀裂变时释放的能量已知铀核裂变的反应：已知铀核裂变的反应：求：该核反应释放能量；求：该核反应释放能量；亏损质量：亏损质量：释放能量：释放能量：m=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.35781027kg 1kg 1kg铀全铀全部裂变，它部裂变，它放出的能量放出的能量超过超过20002000t t优优质煤完全燃质煤完全燃烧时释放的烧时释放的能量能量3 3、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇19461946年在巴年在巴黎发现了铀的三分裂和四分裂黎发现了铀的三分裂和四分裂 。3 3、链式反应、链式反应（1 1 1 1）定义：）定义：）定义：）定义：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代由重核裂变产生的中子使裂变反应一代由重核裂变产生的中子使裂变反应一代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，叫做接一代继续下去的过程，叫做接一代继续下去的过程，叫做接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应核裂变的链式反应核裂变的链式反应核裂变的链式反应链式反应模拟演示链式反应模拟演示2 2发生链式反应发生链式反应爆爆炸炸（2）发生链式反应的条件）发生链式反应的条件：铀块的质量铀块的质量大于大于临界质量，或者铀块的临界质量，或者铀块的体积体积大于大于临界体积。临界体积。足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量质量质量质量(criticalmass)(criticalmass)。铀铀铀铀-235-235的临界质量约为的临界质量约为的临界质量约为的临界质量约为 1kg1kg，质量超过质量超过质量超过质量超过1kg1kg则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。124 4、原子弹原理、原子弹原理 原子弹装药重原子弹装药重6.16.1千克，千克，TNTTNT当量当量1.81.8万吨，试验中万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座座3030米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑个巨大的弹坑链式反应的应用原子弹 在半径为在半径为400400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为色的玻璃状物质，半径为16001600米的范围内，所有的米的范围内，所有的动植物全部死亡动植物全部死亡 “原子弹之父原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十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：分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，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，我是世界的毁灭者我是死神，我是世界的毁灭者”美国原子弹突袭广岛和长美国原子弹突袭广岛和长美国原子弹突袭广岛和长美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎投掷的原子弹爆炸后形成崎投掷的原子弹爆炸后形成崎投掷的原子弹爆炸后形成崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的的蘑菇状云团，爆炸产生的的蘑菇状云团，爆炸产生的的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达气流、烟尘直冲云天，高达气流、烟尘直冲云天，高达气流、烟尘直冲云天，高达12121212英里多广岛市区英里多广岛市区英里多广岛市区英里多广岛市区80%80%80%80%的的的的建筑化为灰烬，建筑化为灰烬，建筑化为灰烬，建筑化为灰烬，64000640006400064000人丧人丧人丧人丧生，生，生，生，72000720007200072000人受伤，伤亡总人受伤，伤亡总人受伤，伤亡总人受伤，伤亡总人数占全市总人口的人数占全市总人口的人数占全市总人口的人数占全市总人口的53%53%53%53%长崎市长崎市长崎市长崎市60%60%60%60%的建筑物被摧毁，的建筑物被摧毁，的建筑物被摧毁，的建筑物被摧毁，伤亡共伤亡共伤亡共伤亡共86000860008600086000人，占全市人，占全市人，占全市人，占全市37%37%链式反应的应用原子弹在山田须磨子（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中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减速剂二、核电站二、核电站慢中子反应堆慢中子反应堆核电站核电站核心设施：核反应堆核心设施：核反应堆浓缩铀制成的浓缩铀制成的铀棒铀棒减速剂：减速剂：石墨石墨、重水重水或或普通水普通水，用于减小中子的速度用于减小中子的速度控制棒：控制棒：镉棒镉棒，用于吸收中子，用于吸收中子，控制核反应的快慢控制核反应的快慢。解决能源危机根本途径解决能源危机根本途径核能。核能。可开发的可开发的核裂变核裂变燃料资源可使用上千年。燃料资源可使用上千年。核聚变核聚变资源可使用几亿年。资源可使用几亿年。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各各各种种种种过过过过程程程程消消消消耗耗耗耗的的的的中中中中子子子子数数数数,以以以以形形形形成成成成所所所所谓谓谓谓的的的的自自自自持持持持链反应链反应链反应链反应(self-sustainingchainreaction)(self-sustainingchainreaction)。核电站工作过程核电站工作过程能量的转化能量的转化:核能核能内能内能机械能机械能电能电能2 2、核能利用：、核能利用：核电站消耗的核电站消耗的“燃料燃料”很少。一座一百万千很少。一座一百万千瓦的核电站，每年只消耗瓦的核电站，每年只消耗3030吨浓缩油，而同样功率吨浓缩油，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗的火力发电站，每年却要消耗250250万吨煤万吨煤 。目前，。目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同。到核能发电的经济效益跟火电站大体相同。到2020世纪世纪末，核发电已占世界发电总量的末，核发电已占世界发电总量的30%30%。把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制造核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰，造核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰，在某些动力装置上也有利用的可能。在某些动力装置上也有利用的可能。核反应堆不仅可以提供强大的核能，而且它核反应堆不仅可以提供强大的核能，而且它产生的大量中子还可以用来进行各种原子核物理实产生的大量中子还可以用来进行各种原子核物理实验，制造各种反射性同位素。验，制造各种反射性同位素。核发电量占总发电比例最多的核发电量占总发电比例最多的核发电量占总发电比例最多的核发电量占总发电比例最多的10101010个国家是：个国家是：个国家是：个国家是：法国法国法国法国 75%75%75%75%立陶宛立陶宛立陶宛立陶宛 73.1%73.1%73.1%73.1%比利时比利时比利时比利时 57.7%57.7%57.7%57.7%保加利亚保加利亚保加利亚保加利亚 47.1%47.1%47.1%47.1%斯洛伐克斯洛伐克斯洛伐克斯洛伐克 47%47%47%47%瑞典瑞典瑞典瑞典 46.8%46.8%46.8%46.8%乌克兰乌克兰乌克兰乌克兰 43.8%43.8%43.8%43.8%韩国韩国韩国韩国 42.8%42.8%42.8%42.8%匈牙利匈牙利匈牙利匈牙利 38.3%38.3%38.3%38.3%亚美尼亚亚美尼亚亚美尼亚亚美尼亚 36.4%36.4%36.4%36.4%世界核能发电占全部电量世界核能发电占全部电量1/41/4 三、核电的安全性三、核电的安全性核反应堆的防护措施：核反应堆的防护措施：第一道屏障第一道屏障耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把可以把98%98%以上的裂变产物滞留在芯块内。以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障第二道屏障燃料元件包壳燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障第三道屏障压力壳压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元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。件包壳少量射线泄漏。第四道屏障第四道屏障安全壳安全壳由由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。装在安全壳中。核电站放射性气态废物和液态废物的处理：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，再排放到指定采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。的区域。核电站固体废物的处理：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。源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。说明说明:在天然铀中，主要有两种同位素，其在天然铀中，主要有两种同位素，其中中99.3%99.3%是铀是铀238238，0.7%0.7%是铀是铀235235。铀。铀235235俘获各俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的几率较大。铀的中子发生裂变的几率较大。铀238238只有俘获能只有俘获能量大于量大于1MeV1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率的中子才可能发生裂变，并且几率很小。因此，为了使裂变的链式反应容易发生，很小。因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是最好是利用纯铀利用纯铀235235。19.7 19.7 核的聚变核的聚变一、核聚变一、核聚变1、轻核的聚变（热核反应）轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，大的原子核，同时放出大量的核能。同时放出大量的核能。这种核这种核反应叫做反应叫做聚变聚变。一、核聚变一、核聚变2 2、核反应方程、核反应方程:+17.6Mev+17.6Mev 该反应平均每个核子放出的能量在该反应平均每个核子放出的能量在3Mev3Mev以上，以上，聚变比裂变能放出更多的能量。聚变比裂变能放出更多的能量。3.3.其它聚变：其它聚变：上述反应都上述反应都需要超高温条件需要超高温条件，称为热核反应。，称为热核反应。计算下面核反应放出的能量计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：氘核的质量：mD2.014102u氚核的质量：氚核的质量：mT3.016050u氦核的质量：氦核的质量：m4.002603u中子的质量：中子的质量：mn=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17.6MeV。这个量值虽然比一个铀核裂变。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（产生的能量（201MeV）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是铀裂变（是铀裂变（=0.852MeV）的约）的约4倍。倍。2、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10-15m3、实现的方法有、实现的方法有:1）用加速器加速原子核；）用加速器加速原子核；2）把原子核）把原子核加热加热到很高的温度；到很高的温度；108109K不经济不经济如何能使轻如何能使轻核具有较大核具有较大的动能呢？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，因此必须因此必须让轻核具有很大的动能。让轻核具有很大的动能。几百万几百万度高温度高温聚变反应又聚变反应又叫热核反应叫热核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：普通炸药普通炸药普通炸药普通炸药235235氘、氚氘、氚氘、氚氘、氚爆炸爆炸爆炸爆炸裂变裂变裂变裂变聚变聚变聚变聚变弹体弹体弹体弹体引爆装置引爆装置引爆装置引爆装置小小小小型型型型原原原原子子子子弹弹弹弹氘、氚、重氘、氚、重氘、氚、重氘、氚、重氢化钾等氢化钾等氢化钾等氢化钾等铀铀铀铀235235外壳外壳外壳外壳普通炸药普通炸药普通炸药普通炸药世界第一颗氢弹世界第一颗氢弹麦克麦克氢弹爆炸形成的磨姑云氢弹爆炸形成的磨姑云太阳太阳是一个巨大的是一个巨大的热核反应堆。热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地进行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着，太阳和很多恒星的内部温度高达10107 7 K K以上，因而在那里进行着激烈的热核反以上，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阳每秒释放的能量约为3.8103.8102626 J J，地，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在在“核燃烧核燃烧”的过程中的过程中“体重体重”不断减不断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是转化为能量的物质是400400万吨。科学家估万吨。科学家估计，太阳的这种计，太阳的这种“核燃烧核燃烧”还能维持还能维持9090亿亿 100100亿年。当然，与人类历史相比，亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！这个时间很长很长！太太阳阳的中心的中心发生发生核聚核聚变变，放出巨大放出巨大能量，太能量，太阳阳；这个这个天然的的核聚天然的的核聚变过变过程已经发生程已经发生了好了好几几十十亿亿年年（1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点：（2 2）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的储量丰富储量丰富（3 3）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁（4 4）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常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约的能量约3.3MeV3.3MeV，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1MeV1MeV。1L海水中大约有海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧燃烧300L汽油汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。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，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。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。的数量少，容易处理。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磁场中受洛伦兹力的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。加反应的物质。2.2.实现核聚变的实现核聚变的难点难点：地球上没有任何容器能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：家设想了两种方案：1.1.磁约束磁约束 2.2.惯性约束惯性约束托卡马克装置托卡马克装置托卡马克装置托卡马克装置惯性约束惯性约束 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，使它们以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤挤”在一起发生反应。在一起发生反应。40 我国可控热核反应实验装置“中国环流一号”具有国际先进水平。例例例例1 1、已知氘核质量为、已知氘核质量为、已知氘核质量为、已知氘核质量为2.0136u2.0136u，中子质量为，中子质量为，中子质量为，中子质量为1.0087u1.0087u核的质量为核的质量为核的质量为核的质量为3.0150u3.0150u。求：。求：。求：。求：（1 1）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成的核反应方程式的核反应方程式的核反应方程式的核反应方程式（2 2）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【分析分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦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。质能方程即可求出反应释放的核能。解答：解答：（1）（2 2）由题给条件可求得质量亏损为：）由题给条件可求得质量亏损为：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u释放的核能为释放的核能为E=mc2 2=931.50.0035=3.26MeV静止在匀强磁场中的静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个原子核，俘获一个速度为速度为7.7104m/s的中子而发生核反应放出的中子而发生核反应放出粒子后变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，成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得测得粒子速度为：粒子速度为：2104m/s，方向与中子速度方向相，方向与中子速度方向相同，求：同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。）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。）生成的新核的速度大小和方向。（3）若）若粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场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？中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：解：（1）写出核反应方程式写出核反应方程式生成的新核是氚核生成的新核是氚核例2、（2）由动量守恒定律由动量守恒定律mnvn=mv+mHvHvn=7.7104m/sv=2104m/sVH=(mnvn-mv)/mH=(17.7104-42104)3=-1.0103m/s方向与中子方向相反方向与中子方向相反（3）由由r=mv/qBmv/qr:rH=mv/q：mHvH/qH=（422）:（30.1）=40:3T=2m/qBm/qT:TH=4/2:3/1=2:3