核裂變與核聚變高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第五章原子核5.4核裂變與核聚變重核裂變成中等大小的核，放出能量，我們通過(guò)制造原子彈和核電站來(lái)利用這些能量.輕核聚變成中等大小的核，放出能量，我們通過(guò)制造氫彈和可控的熱核反應(yīng)來(lái)利用這些能量.20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)改變了人類歷史。原子核在“分裂或聚合”時(shí)，會(huì)釋放出驚人的能量。?核裂變的發(fā)現(xiàn)核裂變1938年年底，德國(guó)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實(shí)驗(yàn)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(duì)此給出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊(圖5.4-1)。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

(nuclearfission)鈾核的裂變鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氯(鈾236為中間過(guò)程，不穩(wěn)定)，同時(shí)放出3個(gè)中子，核反應(yīng)方程是

核裂變中放出中子，數(shù)目有多有少，中子的速度也有快有慢。以鈾235為例，核裂變時(shí)產(chǎn)生兩或三個(gè)中子。如果這些中子繼續(xù)與其他鈾235發(fā)生反應(yīng)，再引起新的核裂變，就能使核裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去(圖5.4-2)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(chainreaction)。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(guò)時(shí)，很有可能碰不到鈾核而跑到鈾塊外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。只有當(dāng)鈾塊足夠大時(shí)，核裂變產(chǎn)生的中子才有足夠大的概率打中某個(gè)鈾核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去。通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。

鈾核裂變時(shí)如果生成物不同，釋放的能量也有差異。如果一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量按200MeV估算，那么，1kg鈾235全部發(fā)生核裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能!原子彈原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短時(shí)間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。原子彈的燃料是鈾235或钚239。在天然鈾中只有0.7%的鈾235，剩下的99.3%是不易核裂變的鈾238。為得到高濃度的鈾235，就必須進(jìn)行同位素分離，形成鈾235含量較高的濃縮鈾。钚239在自然界并不存在，人們利用核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中子轟擊鈾238，生成物衰變后成為钚239，然后再利用化學(xué)方法將钚239從鈾238中分離出來(lái)。圖5.4-3是“內(nèi)爆式”原子彈結(jié)構(gòu)圖。核燃料一般被分成若干塊放置，每塊的體積都小于臨界體積。它的外部安放化學(xué)炸藥，引爆時(shí)利用化學(xué)炸藥爆炸的沖擊波將核燃料壓縮至高密度的超臨界狀態(tài)，聚心沖擊波同時(shí)壓縮放在核燃料球心的中子源，使它釋放中子，引起核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其中，中子源的四周用鈾238做成中子反射層使逸出燃料區(qū)的部分中子返回，從而，降低中子逃逸率以減小臨界質(zhì)量，節(jié)省核燃料。課外拓展原子彈美國(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%。中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖核襲擊的防護(hù)1.核爆炸瞬時(shí)效應(yīng)防護(hù)(1)利用工事進(jìn)行掩蔽。(2)在開(kāi)闊地面上的人員，發(fā)現(xiàn)核爆閃光時(shí)，立即背向爆心臥倒，可減輕傷害。2.放射性沾染防護(hù)(1)避開(kāi)在沾染區(qū)或高照射量率的地區(qū)行動(dòng)。(2)及時(shí)穿戴個(gè)人防護(hù)器材，防止人體受沾染。(3)人員通過(guò)沾染區(qū)時(shí)盡量乘坐車輛，在沾染區(qū)作業(yè)時(shí)要盡量縮短時(shí)間。(4)進(jìn)入沾染區(qū)執(zhí)行任務(wù)的人員，可服用抗輻射藥，減少放射性物質(zhì)在人體內(nèi)的存留。?

反應(yīng)堆與核電站原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。圖5.4-4是當(dāng)前普遍使用的“熱中子(慢中子)”核反應(yīng)堆的示意圖。實(shí)際上，中子的速度不能太快，否則會(huì)與鈾235“擦肩而過(guò)”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實(shí)驗(yàn)證明，速度與熱運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。但是核裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，因此，還要設(shè)法使快中子減速。為此，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變?yōu)槁凶?。常用的慢化劑有石墨、重水和普通?也叫輕水)。為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些。這種鎘棒叫作控制棒。核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高。水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。反應(yīng)堆核心設(shè)施：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?？刂瓢簦烘k棒，用于吸收中子，

控制核反應(yīng)的快慢。如圖5.4-5，反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。這一部分的工作原理跟火力發(fā)電站相同。第一回路中的水被泵壓人反應(yīng)堆，通過(guò)堆芯時(shí)核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高，進(jìn)入熱交換器后，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆里。在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在核電站中，只要“燒”掉一支鉛筆那么多的核燃料，釋放的能量就相當(dāng)于10t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱。一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站，每年只消耗30t左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要燒煤2.5×106t！建造核電站時(shí)需要特別注意防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，以避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源，空氣和工作場(chǎng)所造成放射性污染。為此，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝人特制的容器，深埋地下。?

核聚變核聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變(nuclearfusion)。如圖5.4-6，一個(gè)氘核與一個(gè)氚核聚合成一個(gè)氨核的同時(shí)放出一個(gè)中子，釋放17.6MeV的能量平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3~4倍。這時(shí)的核反應(yīng)方程是

發(fā)生聚變的條件有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開(kāi)爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)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(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。實(shí)際上，熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆(圖5.4-7)。太陽(yáng)的主要成分是氫。太陽(yáng)的中心溫度達(dá)1.6×107K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氨核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，不斷地放出能量。太陽(yáng)每秒輻射出的能量約為3.8×1026J，相當(dāng)于1.3×1016t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所放出的能量，其中只有不到20億分之一的能量被地球接收?，F(xiàn)在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來(lái)自太陽(yáng)，即太陽(yáng)內(nèi)部核聚變時(shí)釋放的核能。太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應(yīng)?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種核燃燒”還能維持幾十億年。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)的壽命已經(jīng)有50億年了。目前，人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖5.4-8所示，首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。普通炸藥U235氘、氚爆炸裂變聚變

核聚變普遍存在于宇宙中氫彈爆炸形成的磨姑云此外，人們也一直在努力嘗試實(shí)現(xiàn)可控的人工核聚變進(jìn)而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說(shuō)，相同質(zhì)量的核燃料，反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比較多。第二，地球上核聚變?nèi)剂想畠?chǔ)量豐富，而氚可以利用鋰來(lái)制取，足以滿足核聚變的需要。第三，輕核聚變更為安全、清潔。受控?zé)岷朔磻?yīng)——核聚變的利用實(shí)現(xiàn)可控核聚變的主要困難核聚變需要的溫度太高，地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。這構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)可控核聚變的主要困難。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。磁約束帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束。如圖5.4-9，環(huán)流器(即tokamak，音譯為托卡馬克)是目前性能最好的一種磁約束裝置。圖5.4-10是中國(guó)科學(xué)院的環(huán)流器裝置EAST。有“人造太陽(yáng)”之稱的EAST屢次創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)在磁約束核聚變研究領(lǐng)域引領(lǐng)國(guó)際前沿。慣性約束利用核聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個(gè)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)。由于核聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)(圖5.4-11)。在我國(guó)，中國(guó)工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)受控核聚變還有一段很長(zhǎng)的路要走。練習(xí)與應(yīng)用1.什么是核裂變?什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)?解：重原子核受到中子的轟擊分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象，稱為核裂變，由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng).2.在核反應(yīng)堆中，用什么方法控制核裂變的速度?解：在核反應(yīng)堆中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)控制棒(鎘棒)插入的深度控制核裂變的速度.3.什么是核聚變?核聚變過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化有什么特點(diǎn)?解：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變.從比結(jié)合能圖線看，核聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)中要釋放能量.4.請(qǐng)分析：在地球上實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)的必要性、可能性和困難是什么?解：必要性：由于地球上化石燃料和核裂變材料的儲(chǔ)量有限，因此，開(kāi)發(fā)核聚變能非常重要，并且是一項(xiàng)分緊迫的任務(wù)，各國(guó)科學(xué)家都在加緊研究，以期盡快在地球上制造出人類自己的“太陽(yáng)”，以緩解甚至消除能源危機(jī)的困擾.可能性：地球上核聚變?nèi)剂想膬?chǔ)量豐富，氚可以利用鋰來(lái)制取,地球上鋰的儲(chǔ)量很豐富，足以滿足核聚變的需要.困難：地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應(yīng)所需要的高溫.5.在一個(gè)反應(yīng)堆中用石墨做慢化劑使快中子減速。碳核的質(zhì)量是中子的12倍，假設(shè)中子與碳核的每次碰撞都是彈性正碰，而且認(rèn)為碰撞前碳核都是靜止的。(1)設(shè)碰撞前中子的動(dòng)能是E0，經(jīng)過(guò)一次碰撞，中子失去的動(dòng)