核裂变核聚变课件

1第五、六节：核裂变第五、六节：核裂变 核聚变核聚变原子核原子核1第五、六节：核裂变 核聚变原子核1一、裂变和聚变一、裂变和聚变 核聚变：核聚变：两个轻两个轻核聚合成一个较重的核聚合成一个较重的核时，会释放出能量核时，会释放出能量来，这种核反应叫做来，这种核反应叫做核聚变。核聚变。核裂变：核裂变：重的一个核分裂成两个较轻的重的一个核分裂成两个较轻的核时，也会释放出能量，这种核反应叫做核核时，也会释放出能量，这种核反应叫做核裂变。裂变。原子弹爆炸原子弹爆炸一、裂变和聚变 核聚变：两个轻核聚合成一个较重的核时，21 1、19381938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯用中子年，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轰击铀核时发现了核裂变 重核的裂变重核的裂变即：一个重核分裂成了即：一个重核分裂成了两个中等质量两个中等质量的核。的核。二、核裂变链式反应二、核裂变链式反应1、1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯用中子重核的裂变即：32 2、核反应方程、核反应方程3 3、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇19461946年在巴年在巴黎发现了铀的三分裂和四分裂黎发现了铀的三分裂和四分裂 。+201Me201Mev v链式反应链式反应 1 1、重的原子核俘获一个中子以后发生裂变放出中、重的原子核俘获一个中子以后发生裂变放出中子，如果这些中子又引起其他的核裂变，使得子，如果这些中子又引起其他的核裂变，使得裂变不裂变不断地进行下去断地进行下去，释放出越来越多的能量。这种反应叫，释放出越来越多的能量。这种反应叫链式反应链式反应。2、核反应方程3、我国物理学家钱三强，何泽慧夫妇1946年在4链式反应模拟演示链式反应模拟演示1链式反应模拟演示15链式反应模拟演示链式反应模拟演示2 2链式反应模拟演示26 重重 核核 裂裂 变变 演演 示示 重 核 裂 变 演 示7 链链 式式 反反 应应 链 式 反 应8核裂变核聚变课件9释放的核能释放的核能裂变以前裂变以前裂变以后裂变以后反应过程中质量减少反应过程中质量减少m=0.2135u.m=0.2135u.反应中反应中释放的能量释放的能量:E=mc:E=mc2 2=201=201兆电子伏兆电子伏.释放的核能裂变以前裂变以后反应过程中质量减少m=0.21310 说明说明:在天然铀中，主要有两种同位素，其在天然铀中，主要有两种同位素，其中中99.3%99.3%是铀是铀238238，0.7%0.7%是铀是铀235235。铀。铀235235俘获各俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低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。铀的中子发生裂变的几率较大。铀238238只有俘获能只有俘获能量大于量大于1MeV1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率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，很小。因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是最好是利用纯铀利用纯铀235235。说明:在天然铀中，主要有两种同位素，其中99.3%是11 原子弹：原子弹：铀核裂变时放出巨大的能量，同时铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，这就是原子弹中发生的情况。这就是原子弹中发生的情况。3.3.临界体积临界体积:能够发生链式反应的铀块的最小体能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。积叫做它的临界体积。如果铀如果铀235235的体积超过了它的的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，会立即引起铀核的临界体积，只要有中子进入铀块，会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内就会释放出大量的核能，发链式反应，在极短时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。原子弹：铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多于12链式反应的应用原子弹链式反应的应用原子弹13 原子弹装药重原子弹装药重6.16.1千克，千克，TNTTNT当量当量2.22.2万吨，试万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座使一座3030米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形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成一个巨大的弹坑链式反应的应用原子弹 在半径为在半径为400400米的范围内，沙石被熔化成了黄米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为绿色的玻璃状物质，半径为16001600米的范围内，所有米的范围内，所有的动物全部死亡的动物全部死亡 “原子弹之父原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感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：到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉我是死神，我是世界的毁灭者争辉我是死神，我是世界的毁灭者”原子弹装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验14美国原子弹突袭广岛和美国原子弹突袭广岛和美国原子弹突袭广岛和美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎造成了巨大的毁伤在长崎投掷的原子弹爆炸后形长崎投掷的原子弹爆炸后形长崎投掷的原子弹爆炸后形长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生成的蘑菇状云团，爆炸产生成的蘑菇状云团，爆炸产生成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高的气流、烟尘直冲云天，高的气流、烟尘直冲云天，高的气流、烟尘直冲云天，高达达达达12121212英里多广岛市区英里多广岛市区英里多广岛市区英里多广岛市区80%80%80%80%的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，64000640006400064000人人人人丧生，丧生，丧生，丧生，72000720007200072000人受伤，伤亡人受伤，伤亡人受伤，伤亡人受伤，伤亡总人数占全市总人口的总人数占全市总人口的总人数占全市总人口的总人数占全市总人口的53%53%53%53%长崎市长崎市长崎市长崎市60%60%60%60%的建筑物被摧的建筑物被摧的建筑物被摧的建筑物被摧毁，伤亡共毁，伤亡共毁，伤亡共毁，伤亡共86000860008600086000人，占全人，占全人，占全人，占全市市市市37%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 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15161616核防护（）核爆炸瞬时效应防护。对核袭击的防护大致可分为两大类。利用工事进行掩蔽在开阔地面上的人员，当发现核爆闪光时，立即背向爆心卧倒，可减轻伤害。（）放射性沾染防护。避开在沾染区或高照射量率的地区行动人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量缩短时间及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，以减少放射性物质在人体内的存留核防护（）核爆炸瞬时效应防护。对核袭击的防护大致可分为两17三、受控热核反应三、受控热核反应 热核反应：热核反应：物质达到物质达到几百万度以上几百万度以上的高温时，原子的核外的高温时，原子的核外电子已经完全和原子脱离，这时小部分原子核就具电子已经完全和原子脱离，这时小部分原子核就具有足够的动能，能够有足够的动能，能够克服克服相互间的相互间的库仑斥力库仑斥力，在相，在相互碰撞中接近到可以发生聚变的程度。因此，这种互碰撞中接近到可以发生聚变的程度。因此，这种反应又叫做热核反应。反应又叫做热核反应。轻核的聚变轻核的聚变1 1、将、将几个轻核结合几个轻核结合成较大质量的核叫轻核聚变。成较大质量的核叫轻核聚变。三、受控热核反应 热核反应：轻核的聚变1、将几个轻核结合182 2、核反应方程、核反应方程:+17.6Mev+17.6Mev 该反应平均每个核子放出的能量在该反应平均每个核子放出的能量在3Mev3Mev以上，以上，聚变比裂变能放出更多的能量。聚变比裂变能放出更多的能量。3.3.其它聚变：其它聚变：上述反应都上述反应都需要超高温条件需要超高温条件，称为热核反应。，称为热核反应。2、核反应方程:+17.6Mev 该反应平均每个核子放195.5.聚变反应的应用聚变反应的应用:（1 1）太阳内部和许多恒星的内部，）太阳内部和许多恒星的内部，（3 3）可控热核反应）可控热核反应:中国环流器一号中国环流器一号6.6.热核反应的优点：热核反应的优点：（2 2）氢弹的爆炸（通过原子弹爆炸时产生的）氢弹的爆炸（通过原子弹爆炸时产生的高温来达到高温来达到）能量大、污染小、材料易得能量大、污染小、材料易得4.4.受控热核反应：受控热核反应：如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用（例如发电），这称为受控热核反应。加以利用（例如发电），这称为受控热核反应。5.聚变反应的应用:（1）太阳内部和许多恒星的内部，（3）可20氢弹爆炸氢弹爆炸托克马克装置托克马克装置 太阳热核反应太阳热核反应:在太阳内部，氢核在极高温度下在太阳内部，氢核在极高温度下聚变成氦核，在这过程中释放出聚变成氦核，在这过程中释放出2828兆电子伏的能量兆电子伏的能量.不过这种聚变过程，不是一次反应就能完成的，要不过这种聚变过程，不是一次反应就能完成的，要经过几次反应才能把四个氢核聚合成一个氦核经过几次反应才能把四个氢核聚合成一个氦核.太阳太阳正是靠这种反应以惊人的巨大功率，向宇宙空间辐正是靠这种反应以惊人的巨大功率，向宇宙空间辐射能量的射能量的.氢弹爆炸托克马克装置 太阳热核反应:在太阳内部，氢核在21227 7、氢弹原理、氢弹原理227、氢弹原理22232323氢弹氢弹：利用氘、氚（氢的利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器变反应原理制成的核武器通常称为氢弹。通常称为氢弹。氢弹反应式氢弹反应式氢弹结构示意图氢弹结构示意图氢弹：利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的24四、反应堆四、反应堆 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。地释放出来，人们制成了核反应堆。核反应堆是人工核反应堆是人工控制链式反应的装置。控制链式反应的装置。四、反应堆 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控25反应堆水管水管铀棒铀棒镉棒镉棒石墨石墨水水泥泥防防护护层层减速剂减速剂减速剂减速剂 核原料核原料核原料核原料 冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂 热交换热交换热交换热交换 控制反应速度控制反应速度控制反应速度控制反应速度 防防防防 辐辐辐辐 射射射射 快中子快中子快中子快中子 慢中子慢中子慢中子慢中子 吸收慢中子吸收慢中子吸收慢中子吸收慢中子 反应堆水管铀棒镉棒石墨水泥防护层减速剂 核原料 冷却剂 26核燃料。用浓缩铀（能吸收核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀慢中子的铀235235约占约占3%3%）。）。减速剂。用石墨或重水减速剂。用石墨或重水 （使裂变中产生的中子减速，（使裂变中产生的中子减速，以以便被铀便被铀235235吸收）。吸收）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。（对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入深地（对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入深地层来处理层来处理）核反应堆的主要组成是：核反应堆的主要组成是：核燃料。用浓缩铀（能吸收核反应堆的主要组成是：27五、核电站五、核电站 核能利用核能利用 1、核电站：、核电站：利用反应堆工作时释放出的热能利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。五、核电站 核能利用 1、核电站：利用反应堆工28292929核电站工作过程核电站工作过程能量的转化能量的转化:核能核能内能内能机械能机械能电能电能核电站工作过程能量的转化:核能内能机械能电能302 2、核能利用：、核能利用：核电站消耗的核电站消耗的“燃料燃料”很少。一座一百万千很少。一座一百万千瓦的核电站，每年只消耗瓦的核电站，每年只消耗3030吨浓缩油，而同样功率吨浓缩油，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗的火力发电站，每年却要消耗250250万吨煤万吨煤 。目前，。目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同。到核能发电的经济效益跟火电站大体相同。到2020世纪世纪末，核发电已占世界发电总量的末，核发电已占世界发电总量的30%30%。把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制把反应堆小型化，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，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。在某些动力装置上也有利用的可能。核反应堆不仅可以提供强大的核能，而且它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。验，制造各种反射性同位素。2、核能利用：核电站消耗的“燃料”很少。一座一百万31核动力潜艇核动力潜艇核动力潜艇32广东省大亚湾核电站广东省大亚湾核电站广东省大亚湾核电站广东省大亚湾核电站广东省大亚湾核电站广东省大亚湾核电站33广广东东省省大大亚亚湾湾核核电电站站广东省大亚湾核电站34解决能源危机根本途径核能 可开发的可开发的核裂变核裂变燃料资源可使用上燃料资源可使用上千年。千年。核聚核聚变变资源可使用几亿年。资源可使用几亿年。解决能源危机根本途径核能35核能-解决能源危机的根本途径核发电量占总发电比例最多的核发电量占总发电比例最多的1010个国家是：个国家是：法国法国 75%75%立陶宛立陶宛 73.1%73.1%比利时比利时 57.7%57.7%保加利亚保加利亚 47.1%47.1%斯洛伐克斯洛伐克 47%47%瑞典瑞典 46.8%46.8%乌克兰乌克兰 43.8%43.8%韩国韩国 42.8%42.8%匈牙利匈牙利 38.3%38.3%亚美尼亚亚美尼亚 36.4%36.4%世界核能发电占全部电量1/4 核能-解决能源危机的根本途径世界核能发电占全部电量1/36