5.4核裂變與核聚變一、核裂變1938年底，德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過程中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納、弗里施對此做出了解釋，鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為核裂變。哈恩邁特納弗里施一、核裂變1.定義重核受粒子打擊，分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)，叫做核裂變。鈾核裂變的一種典型情形中子轟擊鈾235中間產(chǎn)物鈾236氪89鋇1443個中子

非天然現(xiàn)象，不能自發(fā)進行，只在人工控制的核反應(yīng)中發(fā)生一、核裂變2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)定義：當(dāng)一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。一、核裂變2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小質(zhì)量/最小體積產(chǎn)生條件：足夠濃度的鈾235足夠數(shù)量的慢中子轟擊鈾塊鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸一、核裂變——原子彈二、反應(yīng)堆與核電站——反應(yīng)堆反應(yīng)堆：通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來釋放核能的裝置。燃料棒：鈾棒【核心設(shè)施】為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”。在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強來控制核反應(yīng)的速度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就越慢。成分是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%?4%）。中子的速度不能太快，否則會與鈾235“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實驗證明，速度與熱運動速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)核裂變,稱作“熱中子”或“慢中子”。慢化劑/減速劑：石墨、重水、普通水等控制棒：鎘棒屏蔽射線防止放射性污染。水泥防護層二、反應(yīng)堆與核電站——核電站的工作流程核電站工作流程1.第一回路水被泵壓入反應(yīng)堆，通過堆芯時核心反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高。3.在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被回?zé)嵘筛邷馗邏赫羝?qū)動汽輪機運轉(zhuǎn)。2.第一回路的水進入交換器，把熱量傳給第二回路的水，又被泵壓回反應(yīng)堆。二、反應(yīng)堆與核電站——防護措施由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個核反應(yīng)堆都裝在安全殼中。第一道屏障：耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。第二道屏障：燃料元件包殼由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障：壓力殼將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。第四道屏障：安全殼二、反應(yīng)堆與核電站在反應(yīng)堆外面修建很厚的水泥層，用來屏障裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性。需要裝入特制的容器深埋地下。能量輸出：利用水或者液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。優(yōu)點：①污染小②可采儲量大③比較經(jīng)濟缺點：①一旦核泄漏會造成嚴(yán)重的核污染②核廢料處理困難

污染處理：三、核聚變1.定義

兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做核聚變。一個氘核與一個氚核結(jié)合成一個氦核時，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，比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大3-4倍。三、核聚變2.產(chǎn)生條件使原子核間的距離達到10-15m以內(nèi)，核力才會起作用。3.實現(xiàn)方法用加速器加速原子核將原子核加熱到很高溫度（108～109K）核聚變也稱熱核反應(yīng)，熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去。三、核聚變4.核聚變普遍存在于宇宙中熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達107K以上，在那里進行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。三、核聚變?nèi)⒑司圩?.應(yīng)用——氫彈不可控！普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變?nèi)⒑司圩內(nèi)⒑司圩?.應(yīng)用——可控?zé)岷朔磻?yīng)產(chǎn)能效率高反應(yīng)物質(zhì)量相同時，聚變放出的能量比裂變更多。聚變?nèi)剂系膬α控S富每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億億立方米的水，大約有40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸。安全、清潔高溫不能維持反應(yīng)就能自動終止，聚變產(chǎn)生的氦是沒有放射性的。放射性廢物主要是泄露的氚，高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理。三、核聚變6.應(yīng)用——可控?zé)岷朔磻?yīng)熱核反應(yīng)的的點火溫度很高磁約束帶電粒子在均勻磁場中運動時受洛倫茲力作用而不飛散