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第五章 原子核與核能
第4節 核裂變和核聚變
較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉化和使用的呢
秦山核電站
原子彈
1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應,知道鏈式反應和聚變的條件。
2.會書寫裂變和聚變方程,會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能。
3.了解核反應堆的工作原理,知道如何控制核反應的速度。
一、重核裂變
20世紀30年代，科學家用中子轟擊鈾核，發現鈾核分裂成質量相近的兩部分，并釋放出能量。科學家從生物學的細胞分裂中得到啟示，把這種核反應過程稱為核裂變。核裂變是釋放核能的方法之一。
為什么會發生裂變呢？
科學家認為，中子擊中 后，將復合成 ，且處于高激發狀態。 要發生形變，從一個接近球形的核變為一個拉長的橢球形的核，核子間的距離增大，核力迅速減小，不能抵消質子間的庫侖斥力從而不能使核恢復原狀， 就分裂成兩部分，同時放出中子。
裂變示意圖
鈾核的裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發生了裂變。
鈾核裂變的產物是多種多樣的
典型裂變
生成鋇（Ba）和氪（Kr），同時釋放三個中子
1個 裂變為 和 釋放的能量計算
反應過程中質量減小了Δm＝0.2153u，釋放的能量
ΔE=0.2153×931.5 MeV=200.55 MeV
1kg的鈾235全部裂變，釋放出的核能相當于兩千余噸標準煤完全燃燒釋放的能量。
鈾核裂變時釋放出的能量是巨大。
科學書屋：核裂變的發現
1934年，在中子和人工放射性發現的啟發下，費米用中子轟擊鈾238，得到了一種新的放射性元素，費米誤認為這種新元素是原子序數為93的超鈾元素。后來證實費米的結論是錯誤的。
1938年，約里奧一居里夫婦用慢中子照射鈾鹽，分離出了類似鑭（Z＝57）的放射性元素。他們對中子與鈾（Z＝92）發生反應生成核電荷數與鈾相距很遠的鑭感到疑惑。
德國科學家哈恩等人看到了約里奧一居里夫婦的實驗結果后，重復做了有關實驗，不僅肯定了鑭的存在，而且發現了放射性鋇核（Z＝56）。哈恩將這個結果告訴了邁特納，這位奧地利女物理學家認為：鈾核俘獲一個中子后分裂成兩個大致相等的部分，這就是核裂變。哈恩因發現核裂變現象而獲得1944年諾貝爾化學獎。
核裂變的發現引起了科學界的極大轟動，許多科學家投入到重核裂變的研究中。不久，科學家通過實驗證明了鏈式反應的可能性，為人類應用原子能打開了大門。
二、鏈式反應
鏈式反應能否持續，與鈾塊質量和體積是否有關？
原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，很可能打不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式反應不能繼續。
只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。
1.定義：在U核裂變釋放出巨大能量的同時,平均每次可以放出 個中子,這些中子稱為第1代中子,如果其中至少有一個繼續轟擊U,使之發生裂變,就能產生第2代中子,這樣不斷繼續下去,中子會不斷 ,裂變反應就會不斷加強,就形成了裂變的鏈式反應。
2~3
增加
2.臨界體積：能夠發生鏈式反應的鈾塊的 體積稱為臨界體積。
最小
發生鏈式反應的條件：鈾塊的質量大于臨界質量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。
二、鏈式反應
反應堆：通過可控制的鏈式反應
來釋放核能的裝置。
1.核燃料：濃縮鈾235
2.減速劑：石墨、重水、普通水，使中子減速，易于捕獲
3.控制棒：鎘，吸引中子，控制鏈式反應的快慢
核燃料發生核裂變釋放的能量使反應區溫度升高。水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時也使反應堆冷卻。
核反應堆：人工控制鏈式反應的裝置
太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢
現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應。
采用輕核聚變成較重核引起結合能變化的方式可獲得核能，這樣的核反應稱為核聚變。
核反應方程
反應過程中質量減小了Δm＝0.0188u，釋放的能量
ΔE=0.0188×931.5 MeV=17.51 MeV
平均每個核子釋放的結合能要比裂變中平均每個核子釋放的能量大得多。
三、輕核聚變
輕核聚變燃料較易獲得
輕核聚變釋放的能量巨大，而且能源泉也容易獲得，氘可以從海洋中提取，數量極巨；氚可以用以下反應得到。
輕核聚變是較理想的能源。但控制反應目前還屬難題。如果能實現可控輕核聚變反應，就可實現人造“小太陽”的夢想。
四、可控熱核聚變
要使輕核發生聚變，必須使它們的間距達到核力作用的范圍。要使它們達到這種程度，必須克服原子核間巨大的庫侖斥力，這就得讓核子獲得足夠大的動能。以氘核發生聚變為例，必須在大約108K高溫下，使氘核獲得至少70keV的動能才能達到核力作用的范圍而發生核聚變。在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質第四態-等離子態。高溫等離子的密度及高溫必須維持一定時間才能實現聚變，但這是非常困難的。
目前，約束高溫等子體的方法有三種：一是引力約束，二是磁約束，三是慣性約束。
1.引力約束：靠巨大的引力，把高溫等離子體約束在一起，維持熱核反應的方法，就是引力約束。
2.磁約束利用磁場將高溫、高密度等離子體約束在一定的容積內，且維持足夠長的時間，使其達到核聚變的條件。目前最有發展前途的是環流器，又稱托卡馬克裝置。
3.慣性約束：利用強激光從多個方向同時轟擊氘和氚的混合燃料丸（微小球體，直徑幾毫米），使燃料丸的表面層形成等離子體，在強激光的慣性壓力下，內層燃料丸密度迅速增大，直徑減小，溫度升高，引起熱核聚變。
1.(多選)關于重核裂變的說法正確的是(　　)
A.重核裂變為兩個中等質量的核時，重核的中子數要比裂變后的兩個中等質量核的中子數多
B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發生鏈式反應
C.為了使裂變的鏈式反應容易發生，不能利用裂變時產生的中子
D.裂變過程中釋放能量，質量虧損
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2.我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎.下列關于聚變的說法正確的是（ ）
A.核聚變比核裂變更為安全、清潔
B.任何兩個原子核都可以發生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
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3.能源是社會發展的基礎，發展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應方程，表述正確的有（　 　）
A． 是人工核反應
B． 是核裂變反應，該反應吸收能量
C．由于裂變比聚變產能效率高，目前的核電站是利用的裂變，用減速劑把快中子變為熱中子，用鎘棒控制反應速度
D．核聚變溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度，科學家設想的解決方案是磁約束和慣性約束
D
4.關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　)
A.一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多
B.聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大
C.聚變反應中粒子的比結合能變小
D.聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增加
B
鏈式反應的條件：
重核分裂成質量較小的核，并釋放核能的反應
核裂變和核聚變
核裂變
核聚變
裂變方程：
核反應堆與核電站的工作流程
臨界體積、臨界質量
兩個輕核結合成質量較大的核的反應
聚變方程：
優點：產能效率高；聚變燃料的儲量豐富；更安全、清潔
實現可控核聚變的方法：引力約束、磁約束、慣性約束

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