19.6.7---核裂变--核聚变2015

1核裂变核聚变原子核核反应吸收能量放出能量核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核OZABCDEFFe核子平均质量OFe平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化DEFABCz物理学中把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．一.核裂变1.核裂变（1）1938年底，德国化学家哈恩和斯特拉斯用中子轰击铀核时发现了核裂变重核的裂变即：一个重核分裂成了两个中等质量的核。（2）裂变产物多种多样U23592n10+→Ba14156Kr9236++n310n2nU105983391451023592SrXe235113690192054380U+nXe+Sr+10n（3）计算铀裂变时释放的能量;-27Um=390.313910kg×-27nm=1.674910kg×;-27Bam=234.001610kg×-27krm=152.604710kg已知铀核裂变的反应：求：该核反应释放能量；235114192192056360U+nBa+Kr+3n亏损质量：释放能量：2ΔE=Δmc=201MeVΔm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量．3、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇1946年在巴黎发现了铀的三分裂和四分裂。3、链式反应（1）定义：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．链式反应模拟演示2发生链式反应爆炸（2）发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(criticalmass)。铀-235的临界质量约为1kg，质量超过1kg则发生爆炸。124、原子弹原理原子弹装药重6.1千克，TNT当量1.8万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑．链式反应的应用——原子弹在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动植物全部死亡．“原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉．我是死神，我是世界的毁灭者．”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的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多．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%．长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡共86000人，占全市37%．链式反应的应用——原子弹在山田须磨子（一位当年的爆炸目击者）的一幅画：在遥远的广岛上空，原子弹爆炸后发出彩虹一般绚丽的光芒原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂二、核电站——慢中子反应堆核电站核心设施：核反应堆浓缩铀制成的铀棒减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度控制棒：镉棒，用于吸收中子，控制核反应的快慢。解决能源危机根本途径——核能。可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。核反应堆通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应(self-sustainingchainreaction)。核电站工作过程能量的转化:核能—内能—机械能—电能2、核能利用：①核电站消耗的“燃料”很少。一座一百万千瓦的核电站，每年只消耗30吨浓缩油，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗250万吨煤。目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同。到20世纪末，核发电已占世界发电总量的30%。②把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制造核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰，在某些动力装置上也有利用的可能。③核反应堆不仅可以提供强大的核能，而且它产生的大量中子还可以用来进行各种原子核物理实验，制造各种反射性同位素。核发电量占总发电比例最多的10个国家是：法国75%立陶宛73.1%比利时57.7%保加利亚47.1%斯洛伐克47%瑞典46.8%乌克兰43.8%韩国42.8%匈牙利38.3%亚美尼亚36.4%世界核能发电占全部电量1/4三、核电的安全性核反应堆的防护措施：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。核电站放射性气态废物和液态废物的处理：采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。核电站固体废物的处理：先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。说明:在天然铀中，主要有两种同位素，其中99.3%是铀238，0.7%是铀235。铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的几率较大。铀238只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率很小。因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用纯铀235。§19.7核的聚变一、核聚变1、轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做聚变。一、核聚变23411120H+HHe+n2、核反应方程:HH3121+17.6Mev该反应平均每个核子放出的能量在3Mev以上，聚变比裂变能放出更多的能量。nHe10423.其它聚变：MeV4.22He2HLi422163MeV25.3nHeHH10322121MeV6.17nHeHH10422131MeV3.17He2HLi421173上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD＝2.014102u氚核的质量：mT＝3.016050u氦核的质量：mα＝4.002603u中子的质量：mn=1.008665uDTαnΔm=m+m-(m+m)=0.018884u2ΔE=Δmc=17.59MeV23411120H+HHe+n×=0.01884931.5MeV计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，但平均每个核子产生的能量17.6=3.52+32MeV是铀裂变（=0.852MeV）的约4倍。201235+12、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m3、实现的方法有:1）用加速器加速原子核；2）把原子核加热到很高的温度；108～109K不经济如何能使轻核具有较大的动能呢？m1015需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。2kE几百万度高温聚变反应又叫热核反应核聚变的利用——氢弹三种炸药：普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变弹体引爆装置小型原子弹氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药23411120H+HHe+n世界第一颗氢弹——麦克氢弹爆炸形成的磨姑云太阳是一个巨大的热核反应堆。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，因而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。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，太阳；这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年（1）轻核聚变产能效率高1.聚变与裂变相比的优点：（2）地球上聚变燃料的储量丰富（3）轻核聚变更安全、清洁（4）反应中放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。二、受控热核反应——核聚变的利用磁约束带电粒子运动时在均匀磁场中受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。2.实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束2.惯性约束托卡马克装置惯性约束由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。40我国可控热核反应实验装置“中国环流一号”具有国际先进水平。例1、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u核的质量为3.0150u。求：（1）写出两个氘核聚变成的核反应方程式（2）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。解答：（1）nHeHH10322121（2）由题给条件可求得质量亏损为：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴释放的核能为ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个速度为7.7×104m/s的中子而发生核反应放出α粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：（1）写出核反应方程式HeHnLi42311063生成的新核是氚核例2、HeHnLi42311063（2）由动量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1×7.7×104-4×2×104)／3=-1.0×103m/s方向与中子方向相反（3）由r=mv/qB∝mv/qrα:rH=mαvα/qα：mHvH/qH=（4×2／2）:（3×0.1）=40:3T=2πm/qB∝m/qTα:TH=4/2:3/1=2:3