5.4 核裂变和核聚变 课件(共30张PPT)

(共30张PPT)
第五章　原子核与核能
核裂变与核聚变
1.什么是结合能 什么是比结合能
把核子分开需要的能量（或核子结合成原子核时释放的能量）叫做结合能。结合能与核子数之比叫比结合能。
2.轻核、重核和中等质量的原子核的比结合能有怎样的关系
中等质量的原子核的比结能最大。
比结合能
核子的平均结合能随质量数的变化
核子平均质量
核子的平均质量随质量数的变化
A
A
B
C
D
E
F
Fe
O
Z
O
Fe
B
C
D
E
F
Z
1. 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。
思考：如何获得核能？
2.把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能会增加，即核子将发生质量亏损，释放结合能。
知道什么是裂变、聚变和链式反应,知道链式反应和聚变的条件
会书写裂变和聚变方程,会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能
了解核反应堆的工作原理,知道如何控制核反应的速度
重点
重难点
重核裂变　链式反应
1964年10月16日,中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化,在半径400 m的范围内,沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质,半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
巨大的核能是从哪里来的
铀核的裂变。
重核的裂变
定义：用中子轰击铀核,铀核分裂成质量相近的两部分,并释放出 ,这种核反应过程称为核裂变
能量
一种常见的核反应方程
UnBaKr+______。
n
(2)在不同的裂变反应中U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放200 MeV的能量来估算,1 kg的U全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
链式反应能否持续，与铀块质量和体积是否有关？
原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很可能打不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。
只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
链式反应
(1)定义:在U核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可以放出 个中子,这些中子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击U,使之发生裂变,就能产生第2代中子,这样不断继续下去,中子会不断 ,裂变反应就会不断加强,就形成了裂变的链式反应。
2~3
增加
(2)能够发生链式反应的铀块的 体积称为临界体积。
最小
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。
链式反应
1.如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗
重核裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积,才会发生链式反应。
2.总结维持链式反应的条件。
(1)核裂变物质的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。
(2)有慢中子轰击。
(3)有足够浓度的铀235。
1.关于重核的裂变,以下说法正确的是
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂
变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
√
2.(2023·湖北武汉市调研)1947年,中国科学家钱三强与何泽慧在利用中子轰击铀核的实验中,观察到铀核可能分裂为三部分或四部分,其中的一种裂变反应是UnXeSr+n。关于铀核裂变,下列说法正确的是
A.Xe的核子平均质量比U的小
B.裂变后与裂变前相比,总质量数增加
C.铀核容易俘获快中子而发生裂变释放核能
D.铀的纯度越高,其裂变的链式反应越难进行
√
1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程。
2.重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后有质量亏损,根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
3.重核的裂变方程仍然符合质量数守恒和电荷数守恒。
轻核聚变与可控热核聚变
太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢
现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
核聚变
(1)采用轻核 成较重核引起结合能变化的方式可获得 ,这样的核反应称为核聚变。
聚变
核能
(3)轻核聚变的优点:聚变反应不仅能释放 的能量,而且所用的燃料氘和氚容易 。氘可从海水中提取,天然的氚不存在,但可通过核反应nLiHe+_____得到。
巨大
获得
H
(2)太阳内部的核聚变:太阳内部氢核聚变的反应方程为HH→_______,平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV,要比裂变中平均每个核子释放的能量 。
Hen
大得多
可控热核聚变
(1)热核聚变的条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的间距达到 作用的范围。以氘核发生聚变为例,必须在大约_____ K高温下,使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态:轻核聚变温度达到108 K,在这样的高温下,原子已完全电离,形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束高温等离子体的三种方式:引力约束、 、惯性约束。
核力
108
磁约束
(1)引力约束：太阳
约束核聚变高温燃料的方案
(2)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。
中国科学院的环流器装置
约束核聚变高温燃料的方案
(3)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。
约束核聚变高温燃料的方案
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温
轻核的聚变反应,是两个轻核结合成质量较大的核,要使得核力发挥作用,必须使核子间的距离达到10-15 m以内;同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大,因而需要核子有很大的动能才能克服,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
3.(2023·福建厦门市统考二模)2023年4月12日,中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒,创造了新的世界纪录,其内部发生的核反应方程为HHHe+
X,则
A.X为正电子
B.该反应为α衰变
C.反应前后质量守恒
D.He的平均结合能比H的平均结合能大
√
1.核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数守恒和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
2.核聚变反应一般只能在轻核之间发生,如氢的同位素氘和氚,它们原子核间的静电斥力最小,容易发生聚变反应生成新的质量更重的原子核。
3.由于轻核聚变需要非常高的温度,因此重核的裂变仍然是当前核能的主要利用方式。
核裂变与核聚变
目标一：重核裂变　链式反应
条件：几百万开尔文的高温
核裂变：中子轰击铀核分裂成几个小核
目标二：
轻核聚变与
可控热核聚变
实施方案
链式反应
定义：中子使裂变反应像链条一
样持续下去
定义：两个轻核结合成质量较大的核
条件：铀块质量（或体积）大于临界值
典型核反应
引力约束
磁约束
惯性约束
典型方程