19.7核聚变(课件)-【点石成金系列】2021-2022学年高中物理课件（人教版选修3-5）

19.7 核聚变 复习引入 从比结合能曲线可以看出： 中等质量的原子核的比结合能最大，原子核最稳定。轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核小。 比结合能小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就释放出核能。 上一节我们学习了重核的裂变——比结合能大的原子核分裂成中等质量的原子核而释放出核能。 这一节课我们来学习轻核的聚变——比结合能小的原子核聚合成中等质量的原子核而释放核能。 一、核聚变 轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能，这种核反应叫做核聚变。 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程： 其他聚变反应方程: 1 、 轻核的聚变：某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做聚变反应。 2、发生聚变的条件: 要使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于电磁力。 库仑斥力 10-15m 需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。 3、实现的方法有: 利用高温。当物质温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，聚变又叫热核反应。 太阳聚变反应 热核反应一旦发生就不再需要外界给它能量了 二、核聚变的利用——氢弹 氢弹是怎样爆炸的？ 三种炸药： 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 弹体 引爆装置 小型原子弹 氘、氚等热核燃料 铀235 外壳 普通炸药 不可控！ 世界第一颗氢弹——麦克 氢弹爆炸形成的磨姑云 第一个实验装置取名为“麦克”，于1952年11月1日在南太平洋小岛比基尼上爆炸。 “麦克”是由一枚普通的原子弹同一定数量的液态氘和氚组成。为了保持氚的液态，氚被保存在零下200多摄氏度和180个大气压之下。原子弹起的作用就像雷管，保证使温度达到几百万摄氏度。 是广岛的那颗原子弹威力的500倍。 1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功 看看这10个不同当量的氢弹爆炸 核聚变普遍存在于宇宙中 太阳 恒星 太阳是一个巨大的热核反应堆。太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量；太阳，这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。 科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 三、受控热核反应——核聚变的利用 （1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。 （2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。 （3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。 （4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。 1、热核反应的优越性： 2、可控制热核反应存在的问题： 地球上没有任何容器能够经受如此高的温度；为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，磁约束和惯性约束。 3、控制方法： （1）磁约束聚变——托卡马克装置 （2）惯性约束聚变 磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。 托卡马克装置 惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。 我国可控热核反应实验装置“中国环流一号”具有国际先进水平。 总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走，比较乐观的估计是在21世纪中叶有可能实现技术突破。一旦能够稳定地输出聚变能、世界上将不再有“能源危机”。 计算下面核聚变放出的能量: 氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.