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 一、核裂变 1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳、弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 哈恩 迈特纳 弗里施 一、核裂变 1. 定义 重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应，叫做核裂变。 铀核裂变的一种典型情形 中子轰击铀235 中间产物铀236 氪89 钡144 3个中子 核裂变会释放出巨大的能量 质量亏损 释放能量 1kg铀235全部裂变时放出的能量 相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能！ 非天然现象，不能自发进行，只在人工控制的核反应中发生 一、核裂变 2. 链式反应 定义：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且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，叫做核裂变的链式反应。 一、核裂变 2. 链式反应 铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。 裂变物质能够发生链式反应的最小质量/最小体积 产生条件： 足够浓度的铀235 足够数量的慢中子轰击铀块 链式反应 爆炸 一、核裂变——原子弹 二、反应堆与核电站——反应堆 反应堆：通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 燃料棒：铀棒【核心设施】 为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”。 在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制核反应的速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢。 成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%〜4%）。中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变,称作“热中子”或“慢中子”。 慢化剂/减速剂：石墨、重水、普通水等 控制棒：镉棒 屏蔽射线防止放射性污染。 水泥防护层 二、反应堆与核电站——核电站的工作流程 核电站工作流程 1. 第一回路水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。 3. 在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 2. 第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，又被泵压回反应堆。 二、反应堆与核电站——防护措施 由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。 第一道屏障：耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块 可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。 第二道屏障：燃料元件包壳 由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。 第三道屏障：压力壳 将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。 第四道屏障：安全壳 二、反应堆与核电站 在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。 能量输出： 利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。 优点：①污染小 ②可采储量大 ③比较经济 缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染 ②核废料处理困难 污染处理： 三、核聚变 1. 定义 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 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。 三、核聚变 2. 产生条件 使原子核间的距离达到10-15m以内，核力才会起作用。 3. 实现方法 用加速器加速原子核 将原子核加热到很高温度（108～109K） 核聚变也称热核反应，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。 三、核聚变 4. 核聚变普遍存在于宇宙中 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，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。 三、核聚变 三、核聚变 5. 应用——氢弹 不可控！ 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 三、核聚变 三、核聚变 6. 应用——可控热核反应 产能效率高 反应物质量相同时，聚变放出的能量比裂变更多。 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。 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。放射性废物主要是泄露的氚，高速中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理。 三、核聚变 6. 应用——可控热核反应 热核反应的的点火温度很高 磁约束 带电粒子在均匀磁场中运动时受洛伦兹力作用而不飞散 现在的技术还不能控制热核反应！！！ 惯性约束 聚变反应时间极短，聚变物质因自身的惯性还未扩散就完成核反应。用激光从各个方向照射参加反应的物质，可使它们“挤”在一起发生反应。 需要约束聚变所需的燃料 5.4 核裂变与核聚变 Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$