5.4核裂變與核聚變核心素養目標1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質2.認識原子核的結合能和比結合能的概念3.能用質量虧損和質能方程計算核能相關作用問題引入較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這樣核能，在這些裝置中，核能使怎樣被轉化和使用的呢？

1.裂變:重核分裂成質量較小的核，并釋放核能的反應。一、核裂變的發現中子2.鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過條件：每次裂變產生的中子，至少平均有一個能引發新的裂變①保證的純度←提純②鈾塊的大小臨界體積:裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積相應的質量：臨界質量多種多樣3.二分裂三分裂四分裂...概率：二分裂的二分裂的質量數守恒，電荷守恒4.核裂變的標準煤

一個鈾235核裂變時釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能!=二、反應堆與核電站

1.原子核的鏈式反應也可以在人工控制下進行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設服務。其實，在第一個原子彈制成以前，科學家們已經實現了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學家費米就主持建立了世界上第一個稱為“核反應堆”的裝置，首次通過可控制的鏈式反應實現了核能的釋放。反應堆與核電站2.反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的吸收，發生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．反應堆與核電站(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度．反應堆與核電站(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發電機發電．發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．反應堆與核電站反應堆與核電站3.核電站的能量轉化重水重水是兩個氘原子與一個氧原子形成的化合物，它的化學性質與普通水相同，但分子質量比普通水的大。在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒，為什么？答案：鎘有吸收中子的特性，減少中子的數目，可以控制能量釋放的速度，而原子彈需要在極短的時間內釋放大量核能，發生猛烈爆炸，不需要控制速度，故不需要鎘棒。三、核聚變

思考與討論:要使輕核發生核聚變，必須使它們的距離達到10-15m以內，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力。也就是說，原子核要有很大的動能才會“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發生核聚變呢？

有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續下去。核聚變

實際上，熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆（圖5.4-7）。太陽的主要成分是氫。太陽的中心溫度達1.6×107K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，不斷地放出能量。太陽每秒輻射出的能量約為3.8×1026J，相當于1000億億噸煤燃燒所放出的能量

其中20億分之一左右的能量被地球接收。現在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分還是來自太陽，即太陽內部核聚變時釋放的核能核聚變

太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有7億噸原子核參與反應。科學家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！太陽的壽命已經有50億年了核聚變

目前，人工產生的熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈。氫彈原理如圖5.4-8所示，首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。

此外，人們也一直在努力嘗試實現可控的人工核聚變，進而利用核聚變中的能源。與核裂變相比，核聚變有很多優點。第一，輕核聚變產能效率高，也就是說，相同質量的核燃料，反應中產生的能量比較多。第二，地球上核聚變燃料氘和氚儲量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。核聚變

然而，核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。這構成了實現可控核聚變的主要困難。為了解決這個難題，科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。

磁約束

帶電粒子運動時，在勻強磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質，這就是磁約束。如圖5.4-9，環流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）是目前性能最好的一種磁約束裝置。核聚變

慣性約束

利用核聚變物質的慣性進行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射參加反應物質，使它們“擠”在一起發生反應。由于核聚變反應的時間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應

在我國，中國工程物理研究院等單位建造了“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置。總的來說，實現受控核聚變還有一段很長的路要走核聚變

兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變

如圖5.4-6，一個氘核與一個氚核聚合成一個氦核的同時放出一個中子，釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比核裂變反應中平均每個核子放出的能量大3?4倍。這時的核反應方程是問題有：１、熱核反應的的點火溫度很高；２、如何約束聚變所需的燃料；慣性約束３、反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；現在的技術還不能控制熱核反應。1.我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”（又被稱為“人造太陽”）將在2020年投入運行，其所發生的可控核聚變方程是

已知

、

、

和X的質量分別為m1、m2、m3和m4，真空中的光速為c，下列說法正確的是（）A．X是質子B．大亞灣核電站利用核聚變發電C．該核反應所釋放的核能為D．

和

的結合能之和大于的結合能課堂訓練解析：A．根據質量數和電荷數守恒可知，X是中子，A錯誤；B．大亞灣核電站是利用重核裂變來發電，B錯誤；C．根據質能方程，該核反應所釋放的核能為C正確；D．比結合能大的原子核更穩定，一個氘核與一個氚核結合成一個核時，釋放能量，則

更穩定，比結合能更大，核子數守恒，則

和

的比結合能之和小于

的比結合能，D錯誤。故選C。答案：C課堂訓練課堂練習2.利用重核裂變釋放核能時選用鈾235，主要因為（）A.它比較容易發生鏈式反應B.能自動裂變，與體積無關C.鈾核比較容易分裂成為三部分或四部分，因而放出更多的核能D.鈾235價格比較便宜，而且它裂變時放出的核能比其他重核裂變時放出的核能要多D課堂練習3.鎘棒在核反應堆中所起的作用是（）A.使快中子變成慢中子B.使慢中子變成快中子C.使反應速度加快D.控制反應速度，調節反應速度的快慢D1、核裂變