核裂變核聚變課件

19.6重核的裂變核反響吸收能量放出能量核子結(jié)合成原子核有些重核分裂成中等質(zhì)量的核有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核核子平均質(zhì)量平均結(jié)合能核子的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化z物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反響叫做核裂變．一.核裂變1.核裂變2、鈾核的裂變〔1〕發(fā)現(xiàn)1939年12月，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變。（2）裂變產(chǎn)物多種多樣+→++〔3〕計(jì)算鈾裂變時(shí)釋放的能量鈾核裂變的反響：求：該核反響釋放能量；虧損質(zhì)量：釋放能量：Δm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg1kg鈾全部裂變，它放出的能量超過(guò)2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量．3、鏈?zhǔn)椒错憽?〕定義：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反響一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒错懀?5種元素的200多種位素同發(fā)生鏈?zhǔn)椒错懕ā?〕發(fā)生鏈?zhǔn)椒错懙臈l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。足以維持鏈反響正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量(criticalmass)。鈾-235的臨界質(zhì)量約為1kg，質(zhì)量超過(guò)1kg那么發(fā)生爆炸。任何有核反響堆的國(guó)家都不難得到爆炸級(jí)的裂變材料，原子彈的根本設(shè)計(jì)又如此簡(jiǎn)單，從而為防止核武器擴(kuò)散帶來(lái)了困難。原子彈中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云開展圖原子彈在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動(dòng)物全部死亡?！霸訌椫辅晩W本海默在核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩(shī)：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個(gè)太陽(yáng)，才能與其爭(zhēng)輝。我是死神，我是世界的消滅者…〞美國(guó)原子彈突襲廣島和長(zhǎng)崎造成了巨大的毀傷．在長(zhǎng)崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達(dá)12英里多．廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%．長(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37%．原子彈水泥防護(hù)層控制棒——鎘棒燃料棒—鈾棒減速劑二、核電站——慢中子反響堆核電站核心設(shè)施：核反響堆濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度控制棒：鎘棒，用于吸收中子，控制核反響的快慢。解決能源危機(jī)根本途徑——核能?？砷_發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。核反響堆通過(guò)受控核裂變反響獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過(guò)程消耗的中子數(shù),以形成所謂的自持鏈反響(self-sustainingchainreaction)。秦山核電站大亞灣核電站核電站我國(guó)第一座實(shí)驗(yàn)性反響堆是在1954年6月建成投入運(yùn)行的，我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制、建造的秦山核電站已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電了；廣東大亞灣電站也已建成，并運(yùn)行發(fā)電了，其發(fā)電量可達(dá)100億度。三、核電的平安性核反響堆的防護(hù)措施：第一道屏障——耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。第二道屏障——燃料元件包殼由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障——壓力殼將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。第四道屏障——平安殼由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個(gè)核反響堆都裝在平安殼中。核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理：采取貯存衰變等方法進(jìn)行稀釋，再排放到指定的區(qū)域。核電站固體廢物的處理：先在核電站內(nèi)專用的廢物庫(kù)暫存，然后送到人煙稀少、地質(zhì)穩(wěn)定、地下水位低又遠(yuǎn)離天然水源的放置場(chǎng)永久貯存，一般要存放幾百年?！?9.7核的聚變1、輕核的聚變〔熱核反響〕某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個(gè)較大的原子核，同時(shí)放出大量的核能。這種核反響叫做聚變。一、核聚變計(jì)算下面核反響放出的能量:氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u計(jì)算說(shuō)明，這個(gè)核反響釋放的能量是17.6MeV。這個(gè)量值雖然比一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生的能量〔201MeV〕少，但平均每個(gè)核子產(chǎn)生的能量是鈾裂變（=0.852MeV）的約4倍。2、發(fā)生聚變的條件:要使原子核間的距離到達(dá)10-15m3、實(shí)現(xiàn)的方法有:1〕用加速器加速原子核；2〕把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經(jīng)濟(jì)如何能使輕核具有較大的動(dòng)能呢？

需要克服極大的庫(kù)侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動(dòng)能。幾百萬(wàn)度高溫聚變反響又叫熱核反響核聚變的利用——?dú)鋸椚N炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變彈體引爆裝置小型原子彈氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥世界第一顆氫彈——麥克1964年10月16日中國(guó)爆炸了第一顆原子彈1967年6月17日中國(guó)爆炸了第一顆氫彈氫彈爆炸形成的磨姑云太陽(yáng)是一個(gè)巨大的熱核反響堆。熱核反響在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著劇烈的熱核反響，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽(yáng)每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在“核燃燒〞的過(guò)程中“體重〞不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)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(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！

太陽(yáng)的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量，太陽(yáng)；這個(gè)天然的的核聚變過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年〔1〕輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：〔2〕地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富〔3〕輕核聚變更平安、清潔〔4〕反響中放射物質(zhì)的處理較容易相同的核燃料釋放的能量多。常見的聚變反響平均每個(gè)核子放出的能量約3.3MeV，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油,輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反響就自動(dòng)終止了。氘和氚聚就反響中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反響而生成的放射性物質(zhì)，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。二、受控?zé)岷朔错憽司圩兊睦么偶s束帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中會(huì)洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反響的物質(zhì)。2.實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案：1.磁約束2.慣性約束慣性約束由于聚變反響的時(shí)間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反響。在慣性約束下，可以用激光從各個(gè)方向照射參加反響的物質(zhì)，使它們“擠〞在一起發(fā)生反響。例1、已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u核的質(zhì)量為3.0150u。求：（1）寫出兩個(gè)氘核聚變成的核反應(yīng)方程式（2）計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能。23He23He【分析】算出核反響中的質(zhì)量虧損，利用愛因斯坦質(zhì)能方程即可求出反響釋放的核能。解答：〔1〕〔2〕由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的原子核，俘獲一個(gè)速度為7.7×104m/s的中子而發(fā)生核反響放出α粒子后變成一個(gè)新原子核，中子速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，測(cè)得α粒子速度為：2×104m/s，方向與中子速度方向相同，求：〔1〕生成的新核是什么？寫出核反響方程式。〔2〕生成的新核的速度大小和方向?！?〕假設(shè)α粒子與新核間相互作用不計(jì)，那么二者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道半徑之比及周期之比各為多少？6Li3解：〔1〕寫出核反響方程式生成的新核是氚核例2、〔2〕由動(dòng)量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1