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1、5.45.4核裂变与核聚变核裂变与核聚变一、核裂变的发现一、核裂变的发现奥托奥托哈恩哈恩19381938年底，德国物理学家哈恩和他年底，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的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子核的实验中发现，生成物中有原子序数为序数为5656的元素钡。的元素钡。迈特纳，迈特纳，L L奥奥地地利利物物理理学学家家迈迈特特纳纳和和弗弗里里施施对对此此做做出出了了解解释释:铀铀核核在在被被中中子子轰轰击击后后分分裂裂成成两两块块质质量量差差不不多多的的碎碎块块。弗弗里里施施借借用用细细胞胞分分裂裂的的生生物物学学名名词词，把把这这类类核核反反应应
2、定定名名为为核核裂变裂变。一、核裂变的发现一、核裂变的发现1.1.定义：物理学中把重核分裂成质量较小的核，释定义：物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。放核能的反应叫做裂变。+=重核重核铀核裂变的产物是铀核裂变的产物是多样的多样的，一种典型的铀核裂变是，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出生成钡和氪，同时放出3 3个中子，核反应方程是：个中子，核反应方程是：一、核裂变的发现一、核裂变的发现已知铀核裂变的核反应：已知铀核裂变的核反应：求：该核反应释放能量求：该核反应释放能量m=0.35781027kg一、核裂变的发现一、核裂变的发现2.2.链式反应链式反应：由重核裂变产生
3、的中子使裂变反应一代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。接一代继续下去的过程。一、核裂变的发现一、核裂变的发现3 3、裂变物质能够发生链式裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做反应的最小体积叫做临界临界体积体积，相应的质量叫做，相应的质量叫做临临界质量界质量。一、核裂变的发现一、核裂变的发现铀块不够大，中子在铀块铀块不够大，中子在铀块铀块不够大，中子在铀块铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不中通过时，很有可能碰不中通过时，很有可能碰不中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外。到铀核而跑到铀块外。到铀核而跑到铀块外。到铀核而跑到铀块外。1kg1kg铀铀235235全部
4、裂变时放出的能量相当于全部裂变时放出的能量相当于2800t2800t标准标准煤完全燃烧时释放的化学能煤完全燃烧时释放的化学能!1kg铀铀235=2800t标准煤标准煤一、核裂变的发现一、核裂变的发现一、核裂变的发现一、核裂变的发现原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。二、反应堆与核电站二、反应堆与核电站19421942年，费米主持建立了世界年，费米主持建立了世界上第一个称为上第一个称为“核反应堆核反应堆”的的装置，首次通过可控制的链式装置，首次通过可控制的链式反应实现了
5、核能的释放。反应实现了核能的释放。水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减速剂(慢化剂慢化剂)屏蔽射线防止放射性污染屏蔽射线防止放射性污染吸收中子，调节中子吸收中子，调节中子数量，控制反应速度数量，控制反应速度降低中子速度，降低中子速度，便于铀便于铀235吸收吸收核电站工作的流程：第一回核电站工作的流程：第一回核电站工作的流程：第一回核电站工作的流程：第一回路中水被泵压入反应堆，通路中水被泵压入反应堆，通路中水被泵压入反应堆，通路中水被泵压入反应堆，通过堆芯时利用反应放出的热过堆芯时利用反应放出的热过堆芯时利用反应放出的热过堆芯时利用反应放出的热水来增加水的内能，水
6、的温水来增加水的内能，水的温水来增加水的内能，水的温水来增加水的内能，水的温度升高。后来，第一回路的度升高。后来，第一回路的度升高。后来，第一回路的度升高。后来，第一回路的水进入热交换器，把热量传水进入热交换器，把热量传水进入热交换器，把热量传水进入热交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被给第二回路的水，然后又被给第二回路的水，然后又被给第二回路的水，然后又被泵圧回到反应堆里。在热交泵圧回到反应堆里。在热交泵圧回到反应堆里。在热交泵圧回到反应堆里。在热交换器里，第二回路的水被加换器里，第二回路的水被加换器里，第二回路的水被加换器里，第二回路的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动热生成高温高压蒸汽，
7、驱动热生成高温高压蒸汽，驱动热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。汽轮机运转。汽轮机运转。汽轮机运转。二、反应堆与核电站二、反应堆与核电站核电站发电的优点：核电站发电的优点：(1)(1)消消耗耗的的核核燃燃料料少少，一一座座百百万万千千瓦瓦级级的的核核电电站站，一一年年只只消消耗耗浓浓缩缩铀铀3030吨吨左左右右，而而同同样样功功率率的的火火电电站每年要消耗站每年要消耗250250万吨万吨优质煤。优质煤。(2)(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。(3)(3)对环境的污染要比火力发电小。对环境的污染要比火力发电小。二、反应堆与核电站二、反应堆与核电
8、站三、核聚变三、核聚变1 1、定义：两个轻核结合成质量较大的原子核，这、定义：两个轻核结合成质量较大的原子核，这种核反应叫做种核反应叫做聚变聚变。+=2 2、能量变化：轻核聚变后，比结合能增加，反应、能量变化：轻核聚变后，比结合能增加，反应中会中会释放能量释放能量。核子平均质量核子平均质量裂变裂变聚变聚变三、核聚变三、核聚变三、核聚变三、核聚变氢原子氢原子核核氦氦-4-4 +氘氚核聚氘氚核聚变示意图变示意图3.3.发生聚变的条件发生聚变的条件:要使原子核间的要使原子核间的距离达到距离达到1010-15-15m m，核力才能大于库仑核力才能大于库仑力。力。三、核聚变三、核聚变4 4、实现方法、实
9、现方法:把原子核把原子核加热加热到很高的温度。到很高的温度。几百万开几百万开尔文高温尔文高温聚变反应又聚变反应又叫热核反应叫热核反应原子核要有很大的动能才会原子核要有很大的动能才会“撞撞”到一起。什么办法到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能来发生聚变昵能使大量原子核获得足够的动能来发生聚变昵?三、核聚变三、核聚变热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，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。靠自身产生的热就会使反应继续下去。三、核聚变三、核聚变热核反应主要用在核武器上热核反应主要用在核武器上氢弹。氢弹。热核反应在宇宙中时时刻刻地热核反应在宇宙中时时
10、刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。热核反应堆。太阳在太阳在“核燃烧核燃烧”的过程中的过程中“体体重重”不断减轻。它每秒有不断减轻。它每秒有7 7亿吨亿吨原子核参与反应，辐射出的能量原子核参与反应，辐射出的能量与与400400万吨的物质相当。科学家万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种估计，太阳的这种“核燃烧还核燃烧还能持续几十亿年。能持续几十亿年。三、核聚变三、核聚变目前，人们还不能控制核聚变，地球上没有任何容器目前，人们还不能控制核聚变，地球上没有任何容器能够经受核聚变的高温。但科学家们正在努力研究和能够经受核聚变的高温。但科学家们正在努力研究和尝试可控热
11、核反应，以使核聚变造福于人类。尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。三、核聚变三、核聚变聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点：轻核聚变产能效率高轻核聚变产能效率高地球上聚变燃料的储量丰富地球上聚变燃料的储量丰富轻核聚变更安全、清洁轻核聚变更安全、清洁反应中放射物质的处理较容易反应中放射物质的处理较容易磁约束磁约束 环流器环流器带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀磁场中会由于洛伦兹力磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此的作用而不飞散，因此有可能有可能利用磁场来约束利用磁场来约束参加反应的物质参加反应的物质。三、核聚变三、核聚变惯性约束惯性约束也可以也可以利用聚变物质的惯性进利用聚变物质的惯性进行约束行约束。由于聚变反应的时间。由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的光从各个方向照射参加反应的物质，使它们物质，使它们“挤挤”在一起发在一起发生反应。生反应。三、核聚变三、核聚变