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

人教版 高中物理选择性必修三 核裂变 与核聚变 5.4 1 素养目标 了解核裂变反应及链式反应的条件。 1 知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程。 2 了解核聚变反应及条件。关注受控核聚变反应研究的进度。 3 了解两类核能应用的利弊。 4 新课引入 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成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，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 01 核裂变的发现 核裂变的发现 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和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。 1、定义：重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应叫做核裂变。 核裂变的发现 重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。 铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是 核裂变的发现 铀核的三分裂、四分裂 二分裂 铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有: 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 和 。这一研究成果得到了广泛的认可和赞誉。 核裂变的发现 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程。 条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积或核裂变物质的质量大于或等于临界质量。 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 核裂变的发现 如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧时放出的化学能。 = 1 kg 2800 t 核裂变的发现 二战时期，美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ；广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。 02 反应堆与核电站 反应堆与核电站 1.核反应堆：人工控制链式反应的装置 吸收中子、控制反应速率 慢中子 (石墨、轻水、重水) (浓缩铀)核燃料 屏蔽射线，防止放射性污染。 ⑴燃料：铀棒 热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%〜4%） ⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。 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。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。 ⑶控制棒：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反应速度。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，这样的镉棒叫控制棒。 ⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。 反应堆与核电站 2.核电站工作流程 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。 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。 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： 反应堆与核电站 03 核聚变 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。 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。 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。 核聚变 5.可控核聚变的两种方案 ①磁约束 中国科学院的环流器装置 （1）磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。 核聚变 ②惯性约束 激光或X射线 （2）惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。 小试牛刀 1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　) A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多 B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应 C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子 D.裂变过程中释放能量，质量亏损 AD 小试牛刀 2.现有三个核反应方程： ①；②；③。 下列说法正确的是（　　） A.①是裂变，②是β衰变，③是聚变 B.①是聚变，②是裂变，③是β衰变 C.①是β衰变，②是裂变，③是聚变 D.①是β衰变，②是聚变，③是裂变 C 小试牛刀 D 课堂小结 链式反应的条件： 重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应 核裂变与核聚变 核裂变 核聚变 裂变方程： 核反应堆与核电站的工作流程 临界体积、临界质量 两个轻核结合成质量较大的核的反应 聚变方程： 优点：产能效率高；聚变燃料的储量丰富；更安全、清洁 实现可控核聚变的方法：磁约束、惯性约束 人教版 高中物理选择性必修三 感谢观看 28 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.52 $$