核裂變與核聚變（教學(xué)課件）（人教版2019選擇性必修第三冊）

第4節(jié)

核裂變與核聚變第五章

人教版

選擇性必修第三冊核裂變的發(fā)現(xiàn)01反應(yīng)堆與核電站02核聚變03典例分析04新課導(dǎo)入較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉(zhuǎn)化和使用的呢？核裂變的發(fā)現(xiàn)PART011938年底，德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過程中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。

奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對此做出了解釋，鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為核裂變。哈恩邁特納弗里施核裂變的發(fā)現(xiàn)核裂變：重核受粒子打擊，分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)。⑴鈾核裂變的一種典型情形

（最典型的一種核反應(yīng)方程式）1、核裂變⑵鈾核的三分裂、四分裂1947年我國著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂和四分裂現(xiàn)象。鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其他裂變方程還有:

二分裂三分裂四分裂概率：

當(dāng)一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。⑴定義：2、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（2）臨界體積和臨界質(zhì)量：使裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。

鈾塊的大小是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否進(jìn)行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，就有可能不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。只有當(dāng)鈾核足夠大時，裂變產(chǎn)生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去。

發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。如圖為核裂變示意圖。(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？答案：(1)不是(2)不能解析：重核的裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，只有達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件時，才會發(fā)生重核的裂變。想一想

一個鈾235核裂變時釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的化學(xué)能!3、核裂變釋放大量的能量

原子彈是利用重核的裂變反應(yīng)制成的,高純度的鈾或钚超過臨界體積時發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),在極短時間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛裂爆炸。原子彈原子彈的結(jié)構(gòu)有“內(nèi)爆式”和“槍式”兩種。拓展學(xué)習(xí)

為了打破核壟所，最終消滅核武器，1964年10月16日我國第一顆原子彈爆炸成功。同時，我國政府鄭重承諾:中國在任何時候、任何情況下，都不首先使用核武器，不對無核國家或地區(qū)使用或威脅使用核武器。我國研制成功原子彈，極大地增強(qiáng)了我國的國防力量?！纠}】

(多選)關(guān)于重核裂變的說法正確的是(

)A.重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個中等質(zhì)量核的中子數(shù)多B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，不能利用裂變時產(chǎn)生的中子D.裂變過程中釋放能量，質(zhì)量虧損AD小試牛刀【例題】鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法正確的是(

)A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B.為了使鈾235裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的快中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D.裂變能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)C小試牛刀反應(yīng)堆與核電站PART02通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來釋放核能的裝置?！盁嶂凶樱凶樱焙朔磻?yīng)堆示意圖水泥防護(hù)層控制棒——鎘棒燃料棒—鈾棒減速劑1、反應(yīng)堆：①鈾棒：由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應(yīng)堆的燃料。②石墨(或重水)：石墨(或重水)作為慢化劑，附著在鈾棒周圍，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于被?35“捉”住，發(fā)生核裂變。③鎘棒：主要作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以叫作控制棒。④水泥防護(hù)層：屏蔽射線，防止放射性污染。核電站工作流程

第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過堆芯時核心反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高。第一回路的水進(jìn)入交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆。

在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被回?zé)嵘筛邷馗邏赫羝?，?qū)動汽輪機(jī)運轉(zhuǎn)。⑴核電站工作流程2、核電站

在反應(yīng)堆外面修建很厚的水泥層，用來屏障裂變反應(yīng)放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器深埋地下。原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以在人工控制下進(jìn)行，使核能較平緩地釋放出來，這樣釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。核電站【例題】(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆,下列說法正確的是(

)A.鈾棒是核燃料,裂變時釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能ABD小試牛刀【例題】如圖所示是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(

)A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會快一些B小試牛刀核聚變PART03兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做核聚變。

一個氘核與一個氚核結(jié)合成一個氦核時（同時放出一個中子），釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大3-4倍，核反應(yīng)方程：

其他聚變反應(yīng)方程:1、核聚變：要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10-15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力。也就是說，原子核要有很大的動能才會“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發(fā)生核聚變呢？

當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去。⑵對物質(zhì)加熱到很高的溫度108～109K⑴用加速器加速原子核思考與討論恒星科學(xué)家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億~100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。

太陽每秒輻射出的能量約為3.8x1026J，相當(dāng)于1000億億噸煤燃燒所放出的能量，其中20億分之一左右的能量被地球接收。現(xiàn)在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來自太陽，即太陽內(nèi)部核聚變時釋放的核能。

太陽聚變反應(yīng)2、核聚變普遍存在于宇宙中普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變

1967年6月17日，我國首枚氫彈爆炸成功不可控！3、核聚變的利用——氫彈⑴磁約束帶電粒子運動時在均勻磁場中受洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。托卡馬克裝置中國科學(xué)院的環(huán)流器裝置4、可控核聚變的方案⑵慣性約束

由于聚變反應(yīng)的時間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。慣性約束示意圖典例分析PART04(1)只要鈾塊的體積大于臨界體積，就可以發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 (

)(2)中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 (

)(3)重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小。 (

)(4)核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度。 (

)(5)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害。 (

)×

×

×

√

×

判一判【例題】(多選)關(guān)于裂變反應(yīng),下列說法正確的是(

)A.用中子轟擊鈾核發(fā)生裂變,其一定分裂為質(zhì)量差不多的兩部分B.鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核一定釋放能量C.鈾核發(fā)生裂變時可能分裂成兩部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轟擊均能發(fā)生裂變反應(yīng)BD小試牛刀【例題】核反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變的一種裝置，它主要由四部分組成，分別是()A．核燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)B．核燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)C．核燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)D．核燃料、中子源、原子能儲存系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)小試牛刀C【例題】我國核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億攝氏度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ).下列關(guān)于聚變的說法正確的是（）A.核聚變比核裂變更為安全、清潔B.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變C.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加D.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加AD小試牛刀【例題】一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應(yīng)后生成一個氦核和一個中子，同時放出一個γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法中正確的是（）A.這個反應(yīng)的核反應(yīng)方程是B.這個核反應(yīng)既不是聚變反應(yīng)也不是裂變反應(yīng)C.輻射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2A小試牛刀【例題】關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(

)A.鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能ABD小試牛刀【例題】關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(

)A.一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B.聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定大