核裂變及核聚變課件

3.1 核裂變及核聚變3.1 核裂變及核聚變太陽的壽命燃燒1kg煤所釋放的能量大約是24MJ。假如太陽是由煤所構(gòu)成，它就會在4000年內(nèi)耗盡所有燃料。不過，研究顯示太陽已存在超過40億年。太陽的能量從何而來？來自它核心內(nèi)的核聚變。太陽的壽命燃燒1kg煤所釋放的能量大約是24MJ。1核裂變核裂變發(fā)生時，一個較重的原子核會分裂成兩個較輕的原子核和數(shù)個中子。低速中子撞擊鈾-235核時，鈾-235核或會發(fā)生核裂變。模擬程式1核裂變核裂變發(fā)生時，一個較重的原子核會分裂成兩個較輕的天然的鈾包含兩種同位素：鈾-238(99.3%)和鈾-235(0.7%)鈾-235 較稀有的同位素

能發(fā)生核裂變 會分裂成不同元素的原子核，但多數(shù)是鋇(barium)

和氪(krypton)的原子核︰

U+nBa+Kr+n+n+能量23592101445690361010天然的鈾包含兩種同位素：23511449011裂變的反應(yīng)要在大約1000C

的高溫下發(fā)生。重量為1g

的鈾-235裂變時會釋放約7.21010J的能量。

龐大的能量燃燒1kg煤所釋放的能量大約是24MJ。1g

的鈾-235=kg煤3000裂變的反應(yīng)要在大約1000C的高溫下發(fā)生。燃燒1核裂變時，一個重的原子核分裂成較輕的原子核，過程中釋放出大量能量。核裂變時，一個重的原子核分裂成較輕的原子核，過程中釋放出大量鈾-235 較稀有的同位素

能發(fā)生核裂變 會分裂成不同元素的原子核，但多數(shù)是鋇(barium)

和氪(krypton)的原子核︰

U+nBa+Kr+n+n+能量23592101445690361010

U+nXe+Sr+n+n+n+能量2359210143549038101010鈾-23523511449011 U+n2連鎖反應(yīng)鈾-235核分裂時，會放出兩至三個中子。這些中子可能︰ 繼續(xù)令鈾-235分裂（但先決條件是附近要有很多 鈾-235核）。

逃逸到外面，不會繼續(xù)引發(fā)裂變?！?鈾礦石的質(zhì)量愈大，中子逃逸的比率愈小。2連鎖反應(yīng)鈾-235核分裂時，會放出兩至三個中子。當(dāng)鈾礦石的質(zhì)量>臨界質(zhì)量，核裂變便會連續(xù)不斷地迅速發(fā)生。

連鎖反應(yīng)模擬程式U-235(0.7%濃縮至to3-5%)連鎖反應(yīng)是可控制的。如：用物質(zhì)吸走部份中子

當(dāng)鈾礦石的質(zhì)量>臨界質(zhì)量，核裂變便會連續(xù)不斷地迅速發(fā)生。例題1(a)求x和y?？紤]原子序數(shù)︰94+0=42+x+y0

x=52

考慮質(zhì)量數(shù)︰239+1=104+134+y1

y=2

鈽-239可發(fā)生以下核裂變反應(yīng)：

Pu+nMo+Te+yn239941010442134x10例題1(a)求x和y?？紤]原子序數(shù)︰94+0(b)如果有足夠的鈽燃料，這核裂變可產(chǎn)生連鎖反應(yīng)嗎？可以（∵這核裂變會製造中子）鈽-239可發(fā)生以下核裂變反應(yīng)：

Pu+nMo+Te+yn239941010442134x10(b)如果有足夠的鈽燃料，這核裂變可產(chǎn)生連鎖反應(yīng)嗎？可以（3核聚變將兩個較輕的原子核結(jié)合為一個較重的原子核，同樣會釋放出大量能量。

核聚變

一個氫-2（氘）核和一個氫-3（氚）核結(jié)合成為氦-4核，並放出一個中子︰H+HHe+n+能量21314210模擬程式3核聚變將兩個較輕的原子核結(jié)合為一個較重的原子核，同樣會∵原子核帶正電∴它們會相互排斥若要聚變發(fā)生，兩個原子核必須以極高速撞向?qū)Ψ?。要使原子核高速移動，可以利用核裂變將溫度提高至攝氏1億度(108

C)原子核以高速互相碰撞，引起聚變反應(yīng)是不可控制的。(現(xiàn)時而言)∵原子核帶正電反應(yīng)是不可控制的。(現(xiàn)時而言)在氫的聚變中 1g

燃料釋放3.41011J

能量 比核裂變(7.21010J)釋放更多能量核聚變時，兩個原子核結(jié)合成為一個較重的原子核。若兩個原子序數(shù)低的原子核結(jié)合，便會釋放大量能量。在氫的聚變中核聚變時，兩個原子核結(jié)合成為一個較重的原子核。若太陽中心部分發(fā)生的核聚變 產(chǎn)生能量 主要是由氫聚合成氦 持續(xù)了幾十億年太陽中心部分發(fā)生的核聚變例題2(a)求x和y。由此指出

Z

是甚麼?？紤]質(zhì)量數(shù)︰15+1=x+4

x=12考慮原子序數(shù)︰7+1=6+y

y=2∴Z

是氦原子核。一個比太陽還要重的恆星發(fā)生以下核聚變： N+HC+Z15711x64y例題2(a)求x和y。由此指出Z是甚麼。考慮質(zhì)(b) 寫出一個發(fā)生核聚變的條件。溫度必須達(dá)到約108

C。一個比太陽還要重的恆星發(fā)生以下核聚變： N+HC+Z15711x64y(b) 寫出一個發(fā)生核聚變的條件。溫度必須達(dá)到約108進(jìn)度評估1–Q1下列哪種元素可應(yīng)用於核裂變？A 鈾-235B 鈾-238C 氫D 氦進(jìn)度評估1–Q1下列哪種元素可應(yīng)用於核裂變？A 鈾-2進(jìn)度評估1–Q2

M NA 電子

電子B 電子

能量C 中子

電子D 中子

能量一個鈾原子核發(fā)生核裂變。M撞擊鈾原子核產(chǎn)生N。M和N是甚麼？進(jìn)度評估1–Q2 M N一個鈾原子核發(fā)生核裂變。M進(jìn)度評估1–Q3–4核_________發(fā)生時，氫原子核結(jié)合形成（較重／較輕）的原子核。核_________發(fā)生時，鈾原子核分裂成較輕的原子核，釋放出大量能量。 要維持________

反應(yīng)，裂變過程必須釋出___________。聚變裂變連鎖中子進(jìn)度評估1–Q3–4核_________發(fā)生時，氫進(jìn)度評估1–Q5x=_______y=_______這是一個核（裂變／聚變）的例子。44He+HeBe+能量42x28y進(jìn)度評估1–Q5x=_______這是一個核（裂4核能a受控核裂變在受控制的情況下，核裂變產(chǎn)生的核能可以用來發(fā)電。鈾-235在核電站的核反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生核裂變，所釋放的能量被轉(zhuǎn)化成電能。4核能a受控核裂變在受控制的情況下，核裂變產(chǎn)生的核裂變及核聚變課件核裂變及核聚變課件例題3大亞灣核電站有兩個反應(yīng)堆，每個反應(yīng)堆的功率均為900MW(1MW=106W)。(a)核電站在

1

小時內(nèi)最多可提供多少能量？最多可提供的能量=2

900106

3600

=6.481012J

例題3大亞灣核電站有兩個反應(yīng)堆，每個反應(yīng)堆的功率均為90(b) 設(shè)核電站的效率是33.3%，試計算1小時內(nèi)鈾燃料所釋放出的能量。反應(yīng)堆提供的能量鈾燃料釋放出的能量效率

==1.951013J

6.48×1012鈾燃料釋放出的能量=33.3%鈾燃料釋放出的能量(b) 設(shè)核電站的效率是33.3%，試計算1小時內(nèi)鈾燃b潛在危機(jī)核電站製造的核廢料具有放射性。

處理和儲存都會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題

必須送往處理工廠，將有用的原料從廢料中提取出來

剩餘的廢料會儲存在鋼質(zhì)圓桶內(nèi)，長年埋在偏遠(yuǎn)地方的地底下核廢料b潛在危機(jī)核電站製造的核廢料具有放射性。核廢料核裂變及核聚變課件福島第一核電廠事故

(2011)福島第一核電廠事故(2011)c優(yōu)點與缺點使用核能與否是一個極富爭議性的問題。支持者認(rèn)為︰核能是解決能源短缺危機(jī)的辦法。核電站的燃料體積很小。

沒有燃料運輸?shù)膯栴}

適合那些需要長距離運送煤或石油的地區(qū)c優(yōu)點與缺點使用核能與否是一個極富爭議性的問題。支持者認(rèn)為︰比燃煤或燃油發(fā)電便宜。比較清潔，所引起的環(huán)境污染問題較少，而燃煤及燃油的發(fā)電廠則會產(chǎn)生大量飛灰。支持者認(rèn)為︰反對者認(rèn)為︰核能並非必要。未來對能源的需求可透過開發(fā)替代能源及節(jié)約能源來解決。廣泛使用核能會助長核武發(fā)展。要花費大量金錢去維持和提高核反應(yīng)堆的安全標(biāo)準(zhǔn)，並不一定較燃煤或燃油發(fā)電便宜。反對者認(rèn)為︰反對者認(rèn)為︰對公眾帶來不能接受的危險。儘管發(fā)生核事故的可能性很低，可是一旦發(fā)生意外，後果會不堪設(shè)想。處理及儲存核廢料會造成嚴(yán)重的安全問題。核能有助解決世界未來能源短缺危機(jī)，但也會帶來嚴(yán)重的社會及環(huán)境問題。反對者認(rèn)為︰核能有助解決世界未來能源短缺危機(jī)，但也會帶來嚴(yán)重d受控核聚變海水含有很豐富的核聚變?nèi)剂?，而且聚變的產(chǎn)物氦是一種不帶放射性的惰性氣體。科學(xué)家希望可以在本世紀(jì)中期建立成第一個核聚變反應(yīng)堆。如果可以控制核聚變，人類就可得到一種非常便宜、充足和安全的能源。d受控核聚變海水含有很豐富的核聚變?nèi)剂?，而且聚變的產(chǎn)物氦核裂變及核聚變課件5核武a原子彈把超過臨界質(zhì)量的濃縮鈾分為兩半，放在彈殼內(nèi)，便製成了原子彈。引爆時，兩堆濃縮鈾會混在一起，令總質(zhì)量超過臨界質(zhì)量。引發(fā)不受控的連鎖反應(yīng)釋放大量熱和核輻射化學(xué)爆炸品鈾-2355核武a原子彈把超過臨界質(zhì)量的濃縮鈾分為兩半，放鈾礦石通常只含有0.7%

可裂變的鈾-235。

要製造原子彈的話，鈾礦石就要經(jīng)過複雜的程序處理，以增加鈾-235的濃度。(85%以上)鈾礦石通常只含有0.7%可裂變的鈾-235。

video:Thefirstatomicbomb(1945)video:Thefirstatomicbomb(1Thebombreachesgroundafter43s.

炸彈43s後到達(dá)地面。Afirewallof300mhighissetup.Temperaturereaches4000oC.Allpeopleimmediatelyvaporizeorturnintocarbon.

形成高300米的火墻。溫度達(dá)4000oC，所有的人立即蒸發(fā)，或變成碳。Infra-redradiationandgammaraysarealsoemitted.

此外，亦發(fā)出紅外輻射和伽瑪射線。Shockwavesoccurafewsecondlater.

激波會於數(shù)秒後產(chǎn)生。video:Thefirstatomicbomb(1945)Thebombreachesgroundafterb氫彈及中子彈氫彈的威力來自人造的不受控聚變。利用不受控的裂變（原子彈）來引發(fā)聚變。一般而言，氫彈的破壞力比原子彈大100至1000倍。b氫彈及中子彈氫彈的威力來自人造的不受控聚變。核裂變及核聚變課件b氫彈及中子彈中子彈與氫彈相似，分別在於它在高處爆炸。由核聚變產(chǎn)生的中子到達(dá)地面時，會殺死人及牲口，但不會破壞建築物。b氫彈及