【物理】核裂变与核聚变 课件 2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册.pptx

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1、第四第四节节 核裂变核裂变与与核聚变核聚变第五章第五章 原原子子核核学习目标学习目标1 1新课讲解新课讲解3 3新课导入新课导入2 2经典例题经典例题4 4课堂练习课堂练习5 5本课小结本课小结6 6目录目录学习目标学习目标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。新课导入新课导入 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

2、些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢?第一第一节节 核裂变的发现核裂变的发现核裂变的发现核裂变的发现 核裂变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。核反应方程是核裂变的发现核裂变的发现 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：临界质量核裂变的发现我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三

3、部分或四部分：二分裂三分裂 四分裂 .概率：二分裂的二分裂的核裂变的发现1t标 准 煤 燃 烧 时 放 出 2.931010 J 的热量。铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估 算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的化学能！=1 kg 2800 t 原子弹 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。原子弹的燃料是铀235或钚239。在天然铀中只有0.7%的铀235，剩下的99.3%是不易核裂变的铀238。为得到高浓度的铀235，就必须进行同位素分离

4、，形成铀235含量较高的浓缩铀。钚239在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击铀238，生成物衰变后成为钚239，然后再利用化学方法将钚239从铀238中分离出来。原子弹 图5.4-3是“内爆式”原子弹结构图。核燃料一般被分成若干块放置，每块的体积都小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。其中，中子源的四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回，从而，降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料。第二第二节节 反应堆与核电站反应堆与核电

5、站反应堆与核电站反应堆与核电站 核反应堆水泥防护层控制棒镉棒燃料棒铀棒慢化剂示意图为“热中子（慢中子）”核反应堆。中子的速度不能太快，否则会与铀 235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。反应堆与核电站反应堆与核电站 核反应堆水泥防护层控制棒镉棒燃料棒铀棒慢化剂慢化剂：但是，核裂变产生的是速度很大的快中子，因此，还要设法使快中子减速。为此，在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）。反应堆与核电站反应堆与

6、核电站 核反应堆水泥防护层控制棒镉棒燃料棒铀棒慢化剂控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫作控制棒。铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%4%）反应堆与核电站反应堆与核电站 核电站工作流程核电站优点：消耗的核燃料少污染小第三第三节节 核聚变核聚变核聚变核聚变 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:用加速器加速原子核 原

7、子核加热到很高的温度108109 K核聚变核聚变 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受控核聚变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

8、裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）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34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实现核聚变的方法(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)

9、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。托卡马克（环流器）磁约束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”在一起发生反应惯性约束聚变激光经典例题经典例题(多选)关于重核裂变的说法正确的是()A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂

10、变过程中释放能量，质量亏损AD答案AD解析 重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，选项A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，选项B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。(1)4090(2)5.061026 MeV解析解析(1)锆的电荷数锆的电荷数Z9260840，质量数，质量数A23614690；不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应

11、发生的质量亏损为mmUmnmNdmZr3mn0.212 u因此因此1 kg铀铀235完全裂变产生的能量约为完全裂变产生的能量约为Enm931.5 MeV2.5610240.212931.5 MeV5.061026 MeV。答案答案(1)4090(2)5.061026 MeV如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是()A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D.要使裂变反应更激烈一些，应

12、使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些B答案B解析 快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误。铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是()A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够

13、发生D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关C当堂检测当堂检测答案C解析 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。核反应堆的功率为核反应堆的功率为104 kW，1 h消耗燃料消耗燃料8.75 g，已知每个，已知每个铀铀235裂裂变时放出变时放出2108 eV的能量，求该燃料中铀的能量，求该燃料中铀235的质量百分的质量百分之比。之比。解析解析该反应堆每小时输出的能量为该反应堆每小时输出的能量为EPt1073 600 J3.61010 J设放出这些能量消耗的纯铀设放出这些能量消耗的纯铀235的质量为的质量为m g，则，则答案答案5%本课小结本课小结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