5.4 核裂变与核聚变 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3(共22张PPT)

(共22张PPT)
第4节 核裂变与核聚变
第五章 原子核
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？
1.了解核裂变反应及链式反应的条件。
2.知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程。
3.了解核聚变反应及条件。关注受控核聚变反应研究的进度。
4.了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。
知识点一：核裂变的发现
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。
1.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（铀236为中间过程，不稳定），同时放出3个中子。核反应方程是
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
我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分：
二分裂
三分裂 四分裂 ...
概率：
二分裂的
二分裂的
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
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%。
1.关于铀核裂变，下列说法正确的是（　　）
A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
练一练
BC
知识点二：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。
2.核电站工作流程
核电站优点：
①消耗的核燃料少
②污染小
一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。核电站对环境的污染比火电站小。
1.关于核反应堆,下列说法不正确的是(　　 )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
练一练
C
知识点三：核聚变
1.核聚变
某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核的核反应。
发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到 10-15 m以内(原子核需要很大的动能才会“撞”在一起)
方法:
①用加速器加速原子核
②原子核加热到很高的温度108～109K
大阳是一个巨大的热核反应堆
弹体
引爆装置
小型原子弹
普通炸药
铀235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
氘、氚、重氢化钾等
铀 235
外壳
普通炸药
释放核能
氢弹结构示意图
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性
(1)轻核聚变产能效率高
(2)地球上聚变燃料的储量丰富
（每升水中就含有 0.03 g 氘，地球上有 138.6 亿亿立方米的水，大约有 40 万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000 亿吨）
(3)轻聚变更为安全、清洁
（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
2.受控核聚变
3.重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
可控性 速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。
(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
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，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
4.实现核聚变的方法
托卡马克（环流器）磁约束装置
5.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
惯性约束聚变激光
国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。
1.关于核聚变，下列说法正确的是（　　）
A.两个轻核只有聚变为中等质量的原子核时才放出能量
B.同样质量的轻核发生聚变时放出的能量比同样质量的重核裂变时释放的能量大好多倍
C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D.发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
练一练
BD
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
核裂变与核聚变
核裂变的发现
核聚变
定义
铀裂变方程
链式反应
裂变应用
链式反应快：原子弹
链式反应慢：核电站
定义
聚变方程
聚变条件
与裂变比较