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第五章 原子核與核能
第4節(jié) 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(zhuǎn)化和使用的呢?
1.知道什么是裂變、聚變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng),知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和聚變的條件。
2.會(huì)書寫裂變和聚變方程,會(huì)利用質(zhì)量虧損計(jì)算裂變和聚變產(chǎn)生的核能。
3.了解核反應(yīng)堆的工作原理,知道如何控制核反應(yīng)的速度。
知識(shí)點(diǎn)一：重核裂變
核裂變：物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變。
鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪（鈾236為中間過程，不穩(wěn)定），同時(shí)放出3個(gè)中子。核反應(yīng)方程是
在不同的裂變反應(yīng)中,??92235U核釋放的能量也不同。如果按照一個(gè)235??92U核裂變時(shí)釋放200 MeV的能量來估算,1 kg的235??92U全部裂變釋放出的核能相當(dāng)于兩千余噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的能量。
?
知識(shí)點(diǎn)二：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。
條件：核裂變物質(zhì)的體積大于或等于臨界體積或核裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量。
臨界體積:裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積
相應(yīng)的質(zhì)量：臨界質(zhì)量
1.如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎?
重核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行,只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中,所以重核裂變不是一種天然現(xiàn)象。
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎?
不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積,才會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
核反應(yīng)堆：人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置
吸收中子、控制反應(yīng)速率
慢中子
(石墨、輕水、重水)
(濃縮鈾)核燃料
屏蔽射線，防止放射性污染。
1.定義：
兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變.
2.核反應(yīng)方程：
一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)（同時(shí)放出一個(gè)中子），釋放17.6MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3-4倍。
知識(shí)點(diǎn)三：輕核聚變
3.輕核聚變的優(yōu)點(diǎn)：聚變反應(yīng)不僅能釋放 的能量,而且所用的燃料氘和氚容易 。氘可從海水中提取,天然的氚不存在,但可通過核反應(yīng)?01n+36Li→24He+_____得到。
?
巨大
獲得
?13H
?
4.缺點(diǎn)：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度.
1.熱核聚變的條件：要使輕核發(fā)生聚變,必須使它們的間距達(dá)到 作用的范圍。以氘核發(fā)生聚變?yōu)槔?必須在大約_____ K高溫下,使氘核獲得至少70 keV的動(dòng)能才能達(dá)到核力作用的范圍而發(fā)生核聚變。
2.物質(zhì)第四態(tài)：輕核聚變溫度達(dá)到108 K,在這樣的高溫下,原子已完全電離,形成了物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)。
3.約束高溫等離子體的三種方式：引力約束、 、慣性約束。
核力
108
磁約束
知識(shí)點(diǎn)四：可控?zé)岷司圩?
(1)引力約束：太陽
約束核聚變高溫燃料的方案
(2)磁約束：帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場中受洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。
中國科學(xué)院的環(huán)流器裝置
托卡馬克裝置
(3)慣性約束
由于聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，可以用激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
1.關(guān)于重核的裂變,以下說法正確的是（ ）
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時(shí),一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
C.重核裂變釋放出大量能量,產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損,所以核子數(shù)要減少
D.由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量,所以重核裂
變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí),要發(fā)生質(zhì)量虧損,放出核能
D
2.關(guān)于核聚變，下列說法正確的是（　　 ）
A.兩個(gè)輕核只有聚變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)才放出能量
B.同樣質(zhì)量的輕核發(fā)生聚變時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的重核裂變時(shí)釋放的能量大好多倍
C.聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積
D.發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能
BD
3.現(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)方程：
①?1124????????→1224????????+?1?0????；②??92235????+01????→?56141????????+3692????????+301????；③?12????+13????→24????????+01????。
下列說法正確的是（　　）
A.①是裂變，②是β衰變，③是聚變
B.①是聚變，②是裂變，③是β衰變
C.①是β衰變，②是裂變，③是聚變
D.①是β衰變，②是聚變，③是裂變
?
C
核裂變與核聚變
重核裂變　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
條件：幾百萬開爾文的高溫
核裂變：中子轟擊鈾核分裂成幾個(gè)小核
輕核聚變與
可控?zé)岷司圩?
實(shí)施方案
鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
定義：中子使裂變反應(yīng)像鏈條一
樣持續(xù)下去
定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核
條件：鈾塊質(zhì)量（或體積）大于臨界值
典型核反應(yīng)
引力約束
磁約束
慣性約束
典型方程

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