精品课件：5.4 核裂变和核聚变.pptx

第五章原子核与核能第4节核裂变和核聚变鲁科版2019选择性必修3

一、重核裂变01重核裂变20世纪30年代，科学家用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量。科学家从生物学的细胞分裂中得到启示，把这种核反应过程称为核裂变。核裂变是释放核能的方法之一。为什么会发生裂变呢？科学家认为，中子击中后，将复合成，且处于高激发状态。要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力迅速减小，不能抵消质子间的库仑斥力从而不能使核恢复原状，就分裂成两部分，同时放出中子。裂变示意图

一、重核裂变铀核的裂变用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的典型裂变生成钡（Ba）和氪（Kr），同时释放三个中子1个裂变为 和释放的能量计算反应过程中质量减小了Δm＝0.2153u，释放的能量ΔE=0.2153×931.5MeV=200.55MeV1kg的铀235全部裂变，释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。铀核裂变时释放出的能量是巨大。

科学书屋核裂变的发现1934年，在中子和人工放射性发现的启发下，费米用中子轰击铀238，得到了一种新的放射性元素，费米误认为这种新元素是原子序数为93的超铀元素。后来证实费米的结论是错误的。1938年，约里奥一居里夫妇用慢中子照射铀盐，分离出了类似镧（Z＝57）的放射性元素。他们对中子与铀（Z＝92）发生反应生成核电荷数与铀相距很远的镧感到疑惑。德国科学家哈恩等人看到了约里奥一居里夫妇的实验结果后，重复做了有关实验，不仅肯定了镧的存在，而且发现了放射性钡核（Z＝56）。哈恩将这个结果告诉了迈特纳，这位奥地利女物理学家认为：铀核俘获一个中子后分裂成两个大致相等的部分，这就是核裂变。哈恩因发现核裂变现象而获得1944年诺贝尔化学奖。核裂变的发现引起了科学界的极大轰动，许多科学家投入到重核裂变的研究中。不久，科学家通过实验证明了链式反应的可能性，为人类应用原子能打开了大门。

一、重核裂变02链式反应在铀核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击铀核，使之发生裂变，就能产生第2代中子。这样继续下去，中子会不断增加，裂变反应会不断加强，这就形成了裂变的链式反应。

一、重核裂变发生链式反应的另一个重要因素是铀块的体积。原子核的体积非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面了。临界体积能发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂常用重水和石墨裂变反应堆为了使核能的释放能够通过人工控制，人们制成了核反应堆。

二、轻核聚变01轻核聚变采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为核聚变。太阳和其他恒星之所以能发光并辐射出巨大的能量，就是它们内部氢核聚变的结果。核反应方程轻核聚变释放的能量计算反应过程中质量减小了Δm＝0.0188u，释放的能量ΔE=0.0188×931.5MeV=17.51MeV平均每个核子释放的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。太阳每天释放的能量约为2.1×1044MeV。如此巨大能量的一小部分辐射到地球，就可为地球上生命的生存提供能量。

二、轻核聚变轻核聚变燃料较易获得轻核聚变释放的能量巨大，而且能源泉也容易获得，氘可以从海洋中提取，数量极巨；氚可以用以下反应得到。轻核聚变是较理想的能源。但控制反应目前还属难题。如果能实现可控轻核聚变反应，就可实现人造“小太阳”的梦想。

二、轻核聚变02可控热核聚变要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。要使它们达到这种程度，必须克服原子核间巨大的库仑斥力，这就得让核子获得足够大的动能。以氘核发生聚变为例，必须在大约108K高温下，使氘核获得至少70keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。在这样的高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态-等离子态。高温等离子的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变，但这是非常困难的。目前，约束高温等子体的方法有三种：一是引力约束，二是磁约束，三是惯性约束。引力约束靠巨大的引力，把高温等离子体约束在一起，维持热核反应的方法，就是引力约束。磁约束利用磁场将高温、高密度等离子体约束在一定的容积内，且维持足够长的时间，使其达到核聚变的条件。目前最有发展前途的是环流器，又称托卡马克装置。惯性约束利用强激光从多个方向同时轰击氘和氚的混合燃料丸（微小球体，直径几毫米），使燃料丸的表面层形成等离子体，在强激光的惯性压力下，内层