5.4 核裂变与核聚变 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.4核裂变与核聚变 核心素养目标 1.知道四种基本相互作用，知道核力的性质 2.认识原子核的结合能和比结合能的概念 3.能用质量亏损和质能方程计算核能相关作用 问题引入 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这样核能，在这些装置中，核能使怎样被转化和使用的呢？ 1.裂变:重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应。 一、核裂变的发现 中子 2.链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过 条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变 ①保证 的纯度←提纯 ②铀块的大小 临界体积:裂变物质能够发生链式反应的最小体积 相应的质量：临界质量 多种多样 3.二分裂 三分裂 四分裂 ... 概率： 二分裂的 二分裂的 质量数守恒，电荷守恒 4.核裂变的标准煤 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! = 二、反应堆与核电站 1.原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。 1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。 新知讲解 反应堆与核电站 2.反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围． 反应堆与核电站 (2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度． 反应堆与核电站 (3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电． 发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面． 反应堆与核电站 反应堆与核电站 3.核电站的能量转化 重水 重水是两个氘原子与一个氧原子形成的化合物，它的化学性质与普通水相同，但分子质量比普通水的大。 在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒，为什么？ 答案：镉有吸收中子的特性，减少中子的数目，可以控制能量释放的速度，而原子弹需要在极短的时间内释放大量核能，发生猛烈爆炸，不需要控制速度，故不需要镉棒。 三、核聚变 思考与讨论:要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到 10-15m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？ 有一种办法，就是把它们加热到很高的温度。当物质的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，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 核聚变 实际上，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆（图5.4-7）。太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1.6×107 K。在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出能量。太阳每秒辐射出的能量约为3.8×1026 J，相当于1 000亿亿吨煤燃烧所放出的能量 其中20亿分之一左右的能量被地球接收。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能 核聚变 太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与反应。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！太阳的寿命已经有50亿年了 核聚变 目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。氢弹原理如图5.4-8所示，首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 此外，人们也一直在努力尝试实现可控的人工核聚变，进而利用核聚变中的能源。与核裂变相比，核聚变有很多优点。 第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。 第二，地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。 第三，轻核聚变更为安全、清洁。 核聚变 然而，核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。 磁约束 带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于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，这就是磁约束。如图5.4-9，环流器（即tokamak，音译为托卡马克）是目前性能最好的一种磁约束装置。 核聚变 惯性约束 利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应 在我国，中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走 核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变 如图5.4-6，一个氘核与一个氚核聚合成一个氦核的同时放出一个中子，释放17.6 MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3 MeV以上，比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3〜4倍。这时的核反应方 程是 问题有： １、热核反应的的点火温度很高； ２、如何约束聚变所需的燃料； 惯性约束 ３、反应装置中的气体密度要很低 ，相当于常温常压下气体密度的几万分之一； 现在的技术还不能控制热核反应。 23 托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，即环流磁真空室的缩写。 1.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称为“人造太阳”）将在2020年投入运行，其所发生的可控核聚变方程是 已知 、 、 和X的质量分别为m1、m2、m3和m4，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　） A．X是质子 B．大亚湾核电站利用核聚变发电 C．该核反应所释放的核能为 D． 和 的结合能之和大于的结合能 课堂训练 解析：A．根据质量数和电荷数守恒可知，X是中子，A错误； B．大亚湾核电站是利用重核裂变来发电，B错误； C．根据质能方程，该核反应所释放的核能为 C正确； D．比结合能大的原子核更稳定，一个氘核与一个氚核结合成一个核时，释放能量，则 更稳定，比结合能更大，核子数守恒，则 和 的比结合能之和小于 的比结合能，D错误。 故选C。答案：C 课堂训练 课堂练习 2.利用重核裂变释放核能时选用铀235，主要因为（ ） A.它比较容易发生链式反应 B.能自动裂变，与体积无关 C.铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能 D.铀 235 价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多 D 课堂练习 3.镉棒在核反应堆中所起的作用是（ ） A.使快中子变成慢中子 B.使慢中子变成快中子 C.使反应速度加快 D.控制反应速度，调节反应速度的快慢 D 1、核裂变的发现 ⑴裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程 ⑵链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 ⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小 2、反应堆与核电站 3、核聚变 ⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核 ⑵核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应） ⑶核聚变的例子：太阳、氢弹 小结 $$