第四章核能材料.解析
2019_2020学年高中物理第4章核能本章优化总结课件鲁科版选修3_5
(3)核反应中的质量亏损并不是核子个数(即质量数)的亏损， 核子个数是守恒的．所谓质量亏损，也不是质量的消失， 只是在核反应过程中伴随着能量的辐射所体现出的相应部 分质量的减少．
3.利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应中 反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有 新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核 能．
第4章 核 能
本章优化总结
原子核变化的类型 某种元素的原子核变成另一种元素的原子核的过程，有四 种常见的类型，分别为衰变、人工转变、重核裂变和轻核 聚变．不同的核变化过程中都伴随着核子(质子、中子)数目 的变化和能量变化．所有核反应的反应前后都遵守：质量 数守恒、电荷数守恒．
1．衰变 α 衰变：23982U→23940Th＋42He β衰变：23940Th→23941Pa＋－1 0e ＋β 衰变：3105P→3104Si＋01e γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级．
)，属__________；
(4)23952U＋10n→9308Sr＋13564Xe＋(
)，属________．
[解析] 根据质量数和电荷数守恒可判定： (1)中的未知核为42He，该反应属衰变； (2)中的未知核为42He，该反应属人工转变； (3)中的未知核为10n，该反应属于聚变； (4)中的未知核为 1010n，该反应属于裂变．
氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程为：31H＋
4 2
He―→
7 3
Li
，
已
知各
核
的
平
均
结
合
能
分
别
为
：
EH
＝
1.112
高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 核爆炸的和平利用素材 鲁科版选修35
核爆炸的和平利用强烈的核爆炸被超级大国作为进行核讹诈政策服务，因而“核爆炸”一词听起来似乎令人生畏。
但是，核爆炸也完全可以为和平建设服务。
原子爆炸可以使大规模的治山治水的工程得以加速进行，据计算，一公斤核燃料爆炸，就可以搬走相当于二十五万人工一天劳动开挖的土方。
美国早在多年以前就计划过“犁头”规划，准备爆炸几颗核弹头来改造自然。
核爆炸形成的巨大土方，可以形成很大堆积，几分钟时间能在一条大的河流上形成一个土方大坝来改变河流方向。
譬如说，在我国西北地区有不少浩瀚无边的大沙漠，就因终年缺水成为不毛之地，如新疆塔里木盆地，有图9-8 核爆炸的和平利用一块面积接近江、浙两省面积的大沙漠，叫塔克拉玛干大沙漠，一条很大的塔里木河就绕着它白白流去。
如果能用核爆炸在塔里木河中段筑起大坝，迫使河流改道流入大沙漠中部。
同时再纵横交错开出二条大运河，把塔里木盆地北部的塔里木河，与南部的克里雅河相沟通，那么赤地千里的沙漠将变成无垠的绿洲。
我们还可以按自己的意志，在需要蓄水的地区，用核爆炸开挖出一系列直径从几百公尺到几千公尺大小不等的人工湖泊，把祖国的西北大地点缀起来。
这样，西北地区的气候将发生很大变化，也许会变得温暖宜人，风调雨顺，遍地郁郁葱葱。
正如毛主席在一九三五年长征路过昆仑山时写下的《念奴娇·昆仑》那样：“而今我谓昆仑：不要这高，不要这多雪。
安得倚天抽宝剑，把汝裁为三截？一截遗欧，一截赠美，一截还东国。
太平世界，环球同此凉热”。
我国的西南有世界上最高的青藏高原，横亘着连绵不断的高山峻岭，将来也可以考虑用核爆炸在沉睡千年的深山里，炸开一个个通道，更紧密地把西藏和祖国东部地区联系在一起。
核爆炸更可以应用在石油的开采和大型铁矿、煤矿露天开采的剥离土方工作上。
有些油田地质比较特殊，岩层过于紧密，含油层处于较深的地层下，开采比较困难，如果采用适当的地下核爆炸，压碎岩层结构，增加岩层的空隙度，就可以使深部高压的含油层、含气层，逐步通过岩层缝隙跑到上部，这样只要钻探一些浅井即可采油。
物理鲁科版选修3-5学案：知识导航第四章第3节核聚变含解析
第3节 核聚变思维激活太阳会“死亡”吗?提示：太阳是一颗黄矮星，黄矮星的寿命大致为100亿年,目前太阳大约50亿岁.随着太阳的衰老，其光度会稳定增加.在未来大约50亿年之内，太阳内部的氢元素几乎会全部消耗,太阳的核心将发生坍缩,导致温度上升，这一过程将一直持续到太阳开始把氦元素聚变成碳元素。
由于氦燃烧产生的能量比氢燃烧产生的能量多，因此太阳的外层将膨胀,并且把一部分外层大气释放到太空中.当转向新燃料的过程结束时，太阳的质量将会稍微下降,外层将延伸到地球或者火星目前运行的轨道处（这是由于太阳质量的下降，这两颗行星将会离太阳更远)。
由于太阳能量的增长与半径的增长不相称，太阳表面的温度将比现在低，从而变成一颗红巨星。
这颗红巨星再经过几十亿年后，氦燃料也将消耗完毕.像第一次消耗完氢燃料一样,太阳的内核又会收缩，内部温度上升.对于很大的恒星来说，这一次坍缩会导致碳元素的聚变。
然而，由于太阳的质量不足以产生碳聚变,这样它将变成一颗白矮星.随着内部温度和光度的降低，最终变成一颗不发光的黑矮星。
自主整理 1。
轻核聚变由轻核结合成质量较大的核叫__________. 例子：H 12+H 31→He 42+n 10+17。
6 MeV ，平均每个核子释放3.52 MeVH 31+H11→He 42+19。
2 MeV ，平均每个核子释放4.8 MeV平均每个核子在聚变放出的能量大约是裂变放出能量的__________.2.可控热核聚变反应(1）产生轻核聚变的条件要使轻核发生聚变,必须使原子核距离在___________的范围内，产生轻核聚变的条件是___________.必须使轻核具有很大的动能，才能使它们接近到10—15 m发生聚变。
因此聚变又叫___________。
太阳内部和许多恒星内部都在激烈地进行热核反应，辐射出大量的能量.(2)热核反应和裂变反应相比，具有许多优越性.热核反应释放能量比裂变反应________;热核反应产生放射性物质处理起来比裂变反应产生放射性物质________；热核反应用的氘,储量丰富;轻核聚变更安全，实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了.(3）受控热核反应：对反应采用________和________.我国自行研制可控热核反应装置“________”于1984年9月启动.具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“________”于1994年安装成功，标志我国在研究可控热核反应方面具有一定的实力.可控热核反应将为人类提供更为巨大的能源.高手笔记1.使核发生聚变反应，必须使它们接近到10-15 m.由于原子核带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大的斥力作用，这就要使核具有很大的动能才行。
高中物理 第4章 核能单元总结提升课件 鲁科版选修3-5.pptx
解析 根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程，由质量亏损及 爱因斯坦质能方程求出核能，再由动量守恒和能量守恒求出锂核 和 α 粒子的动能． (1)核反应方程为150B＋10n→73Li＋42He. (2)核反应过程中的质量亏损为 Δm＝(10.016 77＋1.008 665－7.018 22－4.002 60) u ＝0.004 615 u， 释放出的能量为 ΔE＝0.004 615×931.5 MeV≈4.30 MeV.
Байду номын сангаас
程为12H＋21H→24He，因氘核的平均结合能为 1.1 MeV，氦核的 平均结合能为 7.1 MeV，故核反应过程释放能量．ΔE＝4×7.1
MeV－2×2×1.1 MeV＝24.0 MeV.故选 C.
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二、原子物理与动量、能量相结合的问题 1．核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、
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解析 (1)根据质量数、电荷数守恒，得 X 核的质量数为 239－235 ＝4，电核数为 94－92＝2，故“X”核为氦核，符号为24He.(2)钚核 衰变过程中的质量亏损 Δm＝239.052 2 u－235.043 9 u－4.002 6 u ＝0.005 7 u，根据爱因斯坦质能方程，得出衰变过程中放出的能 量 E＝0.005 7×931 MeV≈5.31 MeV.(3)钚核衰变成铀核和 X 核， 根据动量守恒定律，两者动量大小相等，根据 Ek＝12mv2＝2pm2 ， 得 X 核和铀核的动能之比EEkkMm＝Mm≈58.7.
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【例 2】 已知氘核的平均结合能为 1.1 MeV，氦核的平均结合能
为 7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时
()
A．释放出 4.9 MeV 的能量 B．释放出 6.0 MeV 的能量
高中物理鲁科版选修3-5 第4章 核能--综合检测及答案
第4章核能一、选择题(本大题共7个小题，每小题6分．每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．)1．关于核力，下列说法中正确的是()①原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用②按性质分核力属万有引力③核力对核子做正功，原子核要释放核能④原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用A．①③B．②④C．①②D．③④【解析】核力是强相互作用，故②错．核力只在2.0 ×10－15 m短距离起作用，所以①对④错．核力结合成原子核时，核力对核子做正功，放出一定的能量，③对，选A.【答案】 A2．热核反应是一种理想能源的原因是()A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理C．热核反应的原料在地球上储量丰富D．热核反应的速度容易控制【解析】聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻．但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应的速度、和平利用聚变时释放的核能．故正确选项为A、B、C.【答案】ABC3．目前核电站利用的核反应是()A．裂变，核燃料为铀B．聚变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘D．聚变，核燃料为氘【解析】目前核电站是利用重核23592U裂变释放核能来发电．核反应方程为23592 U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n，故选A项．【答案】 A4．(2010·广东高考)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有( )A.238 92U →234 90Th ＋42He 是α衰变B.14 7N ＋42He →17 8O ＋11H 是β衰变C.21H ＋31H →42He ＋10n 是轻核聚变D.8234Se →8236Kr ＋2 0－1e 是重核裂变【解析】 据核反应各类型特点可知：A 、D 项均为衰变，A 中放出α粒子，A 正确，D 错误．B 项为人工转变，B 错误，C 项为轻核聚变．C 正确．【答案】 AC5．(2013·龙岩检测)某原子核A Z X 吸收一个中子后，放出一个电子，分裂为两个α粒子．由此可知( )A ．A ＝7，Z ＝3B ．A ＝7，Z ＝4C ．A ＝8，Z ＝3D ．A ＝8，Z ＝4【解析】 核反应方程为A Z X ＋10n →0－1e ＋242He ，根据核反应遵循质量数和电荷数守恒，可知A ＝7，Z ＝3，故A 项正确．【答案】 A6．中子n 、质子p 、氘核D 的质量分别为m n 、m p 、m D .现用光子能量为E 的γ射线照射静止的氘核使之分解，反应方程为γ＋D ＝p ＋n.若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是( )A.12[(m D －m p －m n )c 2－E ]B.12[(m p ＋n n －m D )c 2＋E ]C.12[(m D －m p －m n )c 2＋E ]D.12[(m p ＋m n －m D )c 2－E ]【解析】 根据能的转化与守恒定律可知E ＋Δmc 2＝2E k ，得E k ＝12(E ＋Δmc 2)＝12[(m D －m n －m p )c 2＋E ]，故C 正确．【答案】 C7．关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．铯原子核(13355Cs)的结合能小于铅原子核(20882Pb)的结合能D．比结合能越大，原子核越不稳定【解析】原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确．重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确．铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，选项C正确．比结合能越大，原子核越稳定，选项D错误．自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损产生的能量小于原子核的结合能，选项E错误．【答案】ABC二、非选择题(本大题共5小题，共58分．按题目要求作答．解答题应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位．)8．(8分)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2、m3，质子和中子结合成氘核时，发出γ射线，已知普朗克常量h，真空中的光速为c，则γ射线的频率为________．【解析】反应前后的质量亏损为m1＋m2－m3，释放的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，射线的能量为hν＝(m1＋m2－m3)c2，所以射线的频率就是ν＝(m1＋m2－m3)c2/h.【答案】(m1＋m2－m3)c2/h9．(10分)(2013·杨陵模拟)1993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素20278Pt，制取过程如下：(1)用质子轰击铍94Be产生快中子，核反应方程：______________________________；(2)用快中子轰击汞20480 Hg，反应过程可能有两种：Pt，放出氦原子核，核反应方程：__________________________；①生成20278②生成20278 Pt ，放出质子、中子，核反应方程：___________________________； (3)生成的铂20278 Pt 发生两次β衰变，变成稳定的原子核汞20280 Hg ，核反应方程：____，________________________________________________________________________.【答案】 (1)94Be ＋11H ―→95B ＋10n(2)①20480 Hg ＋10n ―→20278 Pt ＋32He ；②20480 Hg ＋10n ―→20278 Pt ＋211H ＋10n(3)202 78Pt ―→20278 Au ＋0-1 e ；20279 Au ―→20280 Hg ＋0-1 e10．(2013·山东高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K 时，可以发生“氦燃烧”．(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：42He ＋________→84Be ＋γ.(2)84Be 是一种不稳定的粒子，其半衰期为 2.6×10－16s.一定质量的84Be ，经7.8×10－16s 后所剩84Be 占开始时的________．【解析】 (1)根据电荷数的守恒和质量数守恒有：42He ＋42He →84Be ＋γ(2)根据半衰期的意义有m ＝m 02t Tt ＝7.8×10－16 s ，T ＝2.6×10－16 s得m m 0＝18 【答案】 (1)42He(或α) (2)18(或12.5%)11．(14分)已知235 92U(质量为235.043 9 u)裂变后生成141 56Ba(质量为140.9139 u)和9236Kr(质量为91.897 3 u)同时放出3个中子(每个中子质量为1.008 7 u)．(1)写出核反应方程；(2)求1 kg 铀全部裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg 优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J 的热量)【解析】 (1)235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n.(2)质量亏损为：Δm ＝(m U ＋m n )－(m Ba ＋m Kr ＋3m n )＝(235.043 9＋1.008 7)u－(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u＝0.215 3 u. 释放的核能为：ΔE0＝Δmc2＝0.215 3×931.56 MeV≈201 MeV，已知235 g铀有6.02×1023个铀核，那么1 kg铀内大约有10.235×6.02×1023＝2.56×1024个铀核，由此可知 1 kg铀全部裂变放出能量为ΔE＝2.56×1024×201 MeV＝5.14×1026 MeV＝5.14×1032 eV＝8.2×1013 J，则相当于优质煤的质量为：M＝8.2×10133.36×107kg＝2.44×106 kg.【答案】(1)23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n(2)2.44×106 kg12．(14分)太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由正、负电子和11H、42He 等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是411H→42He ＋20－1e＋E(释放的核能)，这些核能最后转化为辐射能．根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的11H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段，为了简化，假定目前太阳全部由11H核组成，太阳质量M＝2×1030 kg，日地中心距离r＝1.5×1011 m.(1)已知质子质量m p＝1.672 6×10－27 kg，He质量mα＝6.645 8×10－27 kg，电子质量m e＝0.9×10－30 kg，光速c＝3×108 m/s，求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能．(2)已知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能W＝1.35×103W/m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命(估算结果只要一位有效数字)．【解析】(1)根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为ΔE＝(4m p－2m e－m a)c2≈4×10－12 J.(2)根据题给假定，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为N＝M4m p×10%.因此，太阳总共辐射的能量为E＝NΔE.设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能力为ε＝4πr2W，所以太阳继续保持在主序星的时间为t＝E ε.由以上各式解得t＝0.1MΔE4m p·4πr2W，以题给数据代入，并以年为单位，可得t≈1×1010年＝1百亿年．【答案】见解析.。
第四章核能材料范文
第四章核能材料范文核能材料是在核能技术应用中使用的材料，包括核燃料和结构材料。
核燃料是用来产生核能的物质，结构材料则用于构建核反应堆的容器和其他核设施的组件。
核能材料的研究与开发对核能领域的安全性、可靠性和效率至关重要。
核燃料是核反应堆中产生核能的关键元素。
最常见的核燃料是铀-235和钚-239，它们在核裂变过程中产生能量。
为了确保核能的可持续使用，研究人员一直在探索新的核燃料材料，如钚-241和镎-237等。
这些新材料具有更高的裂变截面和更长的半衰期，可以提高核能的利用效率和减少核废料的产生。
核燃料不仅要具有足够的核裂变截面和热导率，还要具备良好的化学稳定性和机械强度，以承受高温和高辐照条件下的应力。
为了提高核燃料的效果，科学家们还研发了包括陶瓷燃料、碳化物燃料和金属燃料等不同类型的材料。
这些新型核燃料材料不仅可以提高燃料的利用率和热导率，还可以减缓核辐照引起的材料老化和失效。
与核燃料不同，核能设施的结构材料主要承载着核能的高温和辐照环境下的应力。
这些材料需要具备较高的抗辐射性、高温强度和良好的耐腐蚀性能。
目前，常用的结构材料有不锈钢、镍基合金和钛合金等。
为了应对更高的工作温度和辐照条件，科学家们一直在寻找新的结构材料。
近年来，铿锆合金、陶瓷复合材料和碳纳米管等新型材料在核能领域得到了广泛的关注。
同时，核能材料还需要具备一定的退役特性。
随着核能设施的运行寿命的结束，材料需要能够容纳核裂变产物和其他辐射物质，以减少辐射给环境和人类带来的危害。
因此，退役材料需要具备良好的放射性和化学稳定性，以保证长期储存在地下设施中的安全性。
总的来说，核能材料的研究和开发对核能的可持续发展至关重要。
随着科技的进步，我们可以期待看到更高效、更安全的核燃料和结构材料的出现，从而推动核能领域的发展。
同时，我们也需要密切关注核能材料的安全性和环境影响，并采取措施来减少核能技术对环境和人类健康的影响，以确保核能的可持续利用。
高中物理-核聚变 核能的利用与环境保护
射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识
的记忆及分析判断能力，选项A、D为原子核的人工转变，选
项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项B、D正确．
答案 BD
计算核聚变释放的能量
【典例3】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝
1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u．求： (1)写出聚变方程； (2)释放出的核能多大？ (3)平均每个核子释放的能量是多大？
二、可控热核聚变反应
热核聚变反应的条件：必须使它们的距离达到_1_0_－_1_5 m 以下，使核具有足够的_动__能__，轻核才能够发生聚变．
约束聚变材料的方法：引__力__约__束__、 磁__约__束__、 _惯__性__约__束__． 三、核能的利用与环境保护
核电站，是利用核能发电，它的核心设施是_核__反__应__堆__ ， 核电站就是将反应堆释放的__核_能转化为电能的发电厂． 核武器 原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器． (1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性_链__式__ 反应装置． (2)氢弹：是一种靠_惯__性__约__束__ 、不需人工控制而实现_聚__变_ 的反应装置．
(解2)此析反应(过1)程核的反质应量方亏程损为为 21H＋31H―→42He＋10n.
Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 665 u ＝0.018 835 u，
ΔE＝Δmc2＝0.018 835×931.5 MeV＝17.5 MeV.
平均每个核子释放的核能为175.5 MeV＝3.5 MeV. 答案 (1)21H＋31H―→42He＋10n (2)17.5 MeV；3.5 MeV
核能及其材料 ppt课件
ADU法工艺流程图
UO2粉末制备
ADU（铀酸胺盐 (NH4)U2O7） 流程
AUC （ 三 碳 酸 铀 酰 胺 (NH4)4[UO2(CO3)3]）流程
IDR流程
PPT课件 33
UO2芯块制备
(1) UO2粉末压制成型
将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块
核裂变、核聚变是两条主要途径。聚变反应放出的核能较裂变反应 大很多。
PPT课件 5
核反应形式—核衰变
在目前人类发现的两千多种原子核中，绝大多数的原子核是不稳定的， 它们在自发的、缓慢的变成新核的过程中放出能量。地球内部巨大的 热能就是地球在漫长的演化过程中，由岩石中所含的铀U、钍Th、镭 Ra等放射性元素衰变中释放的能量积累而来。
PPT课件 31
为什么在压水堆内不直接用金属铀而要用陶瓷UO2燃 料？
(1) 金属铀的优点是热导率较高，密度大，易于加工。 (2) 但金属铀的缺点非常明显：
a) 熔点较低，化学性质活泼，易氧化； b) 在一定温度下会发生相变：T<662℃为α相，662℃<T<772℃为β相， 772℃<T<1133℃为γ相。当其由α相转变为β相时，其性质变得硬而 脆，密度也变小。 c) 金属铀在高温水中的抗腐蚀和抗辐照性能都较差。 (3) UO2的熔点高、热稳定性和辐照稳定性良好，有利于加深燃耗； (4) UO2有良好的化学稳定性，与包壳和冷却剂材料的相容性也较好； (5) UO2的主要缺点是热导率较低。 从综合性能看UO2的综合性能要优于金属铀，故UO2是压水型动力堆中应用最 广泛的燃料。
优点：密度高（>18g/cm3），导热率高（相对于UO2），工艺性能好， 易于加工成型，导热性好，但使用温度低于450oC，铀的核密度高， 导热性能好。缺点是燃料的工作温度低化学活性强，
物理选修35鲁科版全套一体资料课件：第四章 核能 43.4
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解析 A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的 核，是聚变反应，故 A 选项正确；B 选项的核反应是铀核捕获中 子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变 反应，故 B 选项正确；在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自发 地放出了 α 粒子，是 α 衰变，C 选项是正确的；而 D 选项应是 β 衰变，不正确．故答案为 D.
【例 2】 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量 mH＝1.007 3 u，中子质量 mn＝1.008 7 u，氚核质量 mT＝3.018 0 u．求： (1)写出聚变方程． (2)释放出的核能是多大？ (3)平均每个核子释放的能量是多大？ 答案 见解析
解析 (1)聚变方程11H＋210n―→31H. (2)质量亏损 Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u， 释放的核能 ΔE＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV. (3)平均每个核子放出的能量为6.324 MeV＝2.08 MeV.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式 比较项目
重核裂变
轻核聚变
重核分裂成两个或 两个轻核结合成
放能原理 多个中等质量的原 质量较大的原子
子核，放出核能 核，放出核能
放能多少
核废料 处理难度
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出 的能量大约要大 3～4 倍 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容 易得多
【例1】 以下说法正确的是 ()
借题发挥 轻核聚变释放核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的 千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即 ΔE＝Δmc2. ① (2)根据 1 原子质量单位(u)相当于 931.5 MeV 能量，用核子结合成 原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5 MeV，即 ΔE＝Δm 的数值×931.5 MeV② 注意：式①中 Δm 的单位为 kg，ΔE 的单位是 J；式②中 Δm 的单 位是 u，ΔE 的单位是 MeV.
高中物理 第四章《核能》课件 鲁科版选修3-5
2•93253U、核01能n ：裂154变61B中a有+ 39质62 K量r+亏3损01n，因而有核能的释放
1kg 铀235
2000t＝2×106kg煤
• 核反应堆的结构和基本原理
– 石墨堆、重水堆、轻水堆 – 压水堆（秦山二期、大亚湾二期）
– 沸水堆（压力小、安全性高、体积大。秦山三 期）
– 平均结合能：是指 核子结合成原子核 时每个核子平均放 出的能量，也是把 原子核重新分解成 自由核子时每个核 子平均吸收的能量 。平均结合能越大 ，原子核越难分离 。
• 质能方程与质量
亏损
核子平均质量
– E＝mc2
– △E＝ △mc2
D
– 实验发现，任何一个原子
E
核的质量总是小球组成它
F
的所有核子的质量之和，
热核反应
裂变反应
相同的核燃料释放的能量多
反应中放射物质的处理较易
反应中的核燃料资源较丰富
目前控制聚变反应还有困难 核反应发生条件较易实现
• 研究现状与发展前景
• 1、 （交） P65/6、P70/2 • 2、《学案》P45/1-4，P51/1-6
物理3-5
• 核力（nuclear force)
– 强力（强相互作用） – 短程力，作用范围在2fm
左右
– 核力与核电荷无关 – 核子不能无限靠近，在
某些情况下表现为斥力 。大体上说核子间的距 离在0.8~1.5fm 之间表 现为引力；小于0.8fm表 现为斥力，大于4~5fm 时核力急剧下降，几乎 消失；大于10fm时，核 力消失。
约10-14m 约10-15m
• 核素图
– 核素（nuclide）：具 有一定核电荷数和质 量数，并且具有同一 能态的一种原子核或 原子，称为一种核素 。通常核素可简记为 AX （如13C）
鲁科版选修(3-5)高二物理第四章课件：核能
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鲁科版选修(3-5)第四章《核能》ppt 核力（nuclear force)
强力（强相互作用）
短程力，作用范围在2fm左右
核力与核电荷无关
核子不能无限靠近，在某些情况下表现为斥力。
大体上说核子间的距离在0.8~1.5fm 之间表现为引力；小于0.8fm表现为斥力，大于4~5fm时核力急剧下降，几乎消失；大于10fm时，核力消失。
核素（nuclide）：具有一定核电荷数和质量数，并且具有同一能态的一种原子核或原子，称为一种核素。
通常核素可简记为AX （如13C）
原子序数越大，稳定核素的中子数越来越大于质子数
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第四章 核磁共振-碳谱
共九十三页
氢原子核的外面有电子，它们对磁场的磁力 线有排斥作用。对原子核来讲，周围的电子起了
屏蔽（Shielding）效应。核周围的电子云密度越 大，屏蔽效应就越大，要相应增加磁场强度才能 使之发生共振。核周围的电子云密度是受所连基
团的影响(yǐngxiǎng)，故不同化学环境的核，它们所受的屏
实验时，所用的磁场强度越高，发生(fāshēng)核磁共振所需的 射频(shèpín)频率也越高。
共九十三页
要满足核磁共振条件，可通过(tōngguò)二种方法来实现：
1. 频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频(shèpín)频率 2. 磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度
实际上多用后者。
1. 诱导(yòudǎo)效应： 氢原子核外成键电子的电子云密度(mìdù)产生的屏蔽效应。
拉电子基团：去屏蔽效应，化学位移左移，即增大。 推电子基团：屏蔽效应， 化学位移右移，即减小。
共九十三页
CH3F
/ppm 4.26
CH3OH 3.40
CH3Cl CH3Br
o how are they connected ?
NMR谱的结构(jiégòu)信息
1 化学(huàxué)位移
2 偶合(ǒu hé)常数
3 积分高度
共九十三页
4.1. 核磁共振的基本原理
4.1.1 原子核的自旋、磁矩
1924年，Pauli 预见(yùjiàn)原子核具有自旋和核磁距。
若原子核存在自旋，产生核磁矩。
各种核的共振条件不同，如：在1.4092T(特斯拉)的磁场,各种
核的共振频率为：
1H
60.000 MHZ
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4.改进型水冷动力反应堆材料
4.1 压水堆堆芯新材料 压水堆堆芯部件的工作条件十分苛刻，因而 对其运行的可靠性、经济性和安全性要求越来越 高。为了满足这种要求，一方面堆芯设计不断更 新，另一方面制造部件所使用的材料也将随之改 进。目前没根据核能发展需要而开发的压水堆堆 芯新型材料最具有典型的锆合金包壳材料。水冷 动力堆堆芯的另一种改进型材料是可燃毒物材料 。研究表明，Gd2O3是一种良好的材料。
4.1.2 锆-2.5铌合金
锆-2.5铌合金主要成分是2.5%-2.8%（质量） Nb和1000×10-6-1300×10-6O.添加Nb可以使合 金得到强化并提高耐蚀性，少量的氧也可以强化 合金，在合金重要严格的控制有害杂质氢和碳、 氯和磷。前者容易造成合金氢化开裂；后者会降 低其断裂韧性。 锆-2.5铌合金主要性能： 微观组织和断裂韧性 晶粒结构由β-Zr薄膜围绕α晶粒组成。该薄膜 可以连续或轻度破损；α粒子基极基本上呈现平行 于周向的织构；位错密度等于10-14，断裂韧性大 于250MPa.m1/2。
核能就是指原子能，即原子核结构发生变化时释放出的 能量,包括重核裂变或轻核聚变释放的能量。1938年德国化 学家哈恩首次揭示了核裂变反应，他通过研究发现，铀235在中子的轰击下分裂成两个原子核，同时放出三个中 子，这一过程伴随着能量的放出，这个过程就是核裂变反 应，放出的能量就是核能。物质所具有的原子能比化学能 大几百万倍以至上千万倍。
238U和232Th资源丰富，为核能的利用提供 了广阔的材料来源。此外，由于铀238和钍232是 能够转换成易裂变核素的重要原料，且其本身在 一定条件下也可产生裂变，所以习惯上也称其为 核燃料。聚变燃料包含氢的同位素氘、氚，锂和 其它化合物等。核工程材料是指反应堆及核燃料 循环和核技术中用的各种特殊材料，如反应堆结 构材料、元件包壳材料、反应堆控制材料、慢化 剂、冷却剂、屏蔽材料等等。核材料必须置于设 有多重实体屏障的保护区内，并实行全面管制与 统计，防止损失与扩散。
1.3核能分类
核能可分为三类： （1）裂变能，重元素（如铀、钚等）的原子核 发生分裂时释放出来的能量； （2）聚变能，由轻元素（氘和氚）原子核发生 聚合反应时释放出来的能量； （3）原子核衰变时发出的放射能。核能与化学 能的区别在于，化学能是靠化学反应中原子间的电 子交换而获得能量。例如煤或石油燃烧时，每个碳 或氢原子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能量 ，而核能则靠原子核里的核子（中子或质子）重新 分配获得能量，这种能量非常大。
2 裂变反应堆材料
2.1裂变原理和裂变反 应堆 铀-235或钚-239 等重元素的原子核在 吸收一个中子后发生 裂变，分裂成两个质 量大致相同的新原子 核，同时放出2~3个 中子，这些中子又会 引发其他的铀 -235 或 钚 -239 原子核裂变， 如此形成链式反应。
在裂变过程中伴随着能量放出，这就是裂 变能。一种典型的裂变反应式为
4.1.1新型锆合金包壳材料 锆锡合金具有耐高温水和水蒸气腐蚀、合适 的强度和延性，辐照稳定性以及与陶瓷UO2芯块 有良好的相容性等有点。近年来一直当做用作水 冷动力堆的包壳材料。 4.1.1.1 锆-铌-锡-铁合金 美国和前苏联分别研究开发的ZIRLO和E635 合金均为锆-铌-锡-铁合金，两者的合金元素添加 量基本相同。 4.1.1.2 ZIRLO ZIRLO的成分（质量百分数）为Sn1.0、 Nb1.0、Fe0.1，其余的均为Zr。各合金元素的作 用如下：锆中加入适量的锡可以消除杂质氮的有 害影响，改善耐蚀性，
托卡马克装置
托卡马克装置
以超导托卡马克装置为基础的 未来聚变核电站
3.3 聚变堆主要材料及其特性
聚变堆技术难度极大，普遍认为聚变堆材料是 聚变堆技术的主要难点之一。特别是第一壁材料 要经受14MeV中子和其它高能带电粒子的轰击， 其辐射效应比裂变堆材料所遇到的辐照效应更为 严峻，是研究的重点。按照目前的托卡马克装置 ，聚变堆材料主要包括以下几类： （1）聚变核燃料。主要是氘和氚； （2）氚增殖材料。主要是Al-Li合金、偏铝酸锂、陶 瓷型Li2O、偏锆酸锂还有液态的Li-Pb合金(17%的 原子Li)等。
经验表明，压力管产生延迟氢化开裂的条件是： a 氢浓度必须超过极限固溶度； b 在光滑表面的应力必须超过520MPa c 应力强度因子必须超过4.5MPa.m1/2 ⑤ 腐蚀和磨损 Zr-2.5Nb合金对水及蒸汽中的氧含量很敏感 。在气Li混合物中有空气存在时腐蚀加速。一般 情况下，Zr-2.5Nb合金的耐蚀性是很好的。热处 理和改变加工工艺都对其耐蚀性有显著的影响。
1.4 核材料
广义的核材料是核工业及核科学研究中所专 用的材料的总称，它包括核燃料及核工程材料(即 非核燃料材料)。核燃料(nuclear fuel)是指能产生 裂变或聚变核反应并释放出巨大核能的物质。核 燃料可分为裂变燃料和聚变燃料 ( 或称热核燃料 ) 两大类。裂变燃料主要指易裂变核素如铀 235 、 钚239和铀233等。235U、239Pu、233U的中子 诱发裂变的能量阈值为零，它们被称作易裂变核 素，即是能在热中子反应堆中使用的核燃料 。 232Th和238U吸收中子后，可生成新的易裂变材 料233U和239Pu，232Th和238U被称为可转换材 料。
核能发电的过程
1.2 核能应用历史
核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期科学家的探索发现， 他们为核能的应用奠定了基础。 19世纪末 英国物理学家汤姆逊发现了电子。 1895年 德国物理学家伦琴发现了X射线。 1896年 法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。 1898年 居里夫人发现新的放射性元素钋。 1902年 居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。 1905年 爱因斯坦提出质能转换公式。 1914年 英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单 元，称为质子。 1932年 英国物理学家查得威克发现了中子。 1938年 德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。 1942年12月2日 美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。 1945年8月6日和9日 美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。 1954年 苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。 在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二 战时，英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研 究。
铀-235原子每次裂变时放出约200MeV的能 量，一个碳原子燃烧时放出的能量为4.8eV。铀 的裂变能是碳燃烧释放能的4.878万倍。
2.2 裂变反应堆
实现裂变反应的装置为裂变反应堆。 裂变反应堆的类型有很多种，但结构基本相 同，都由堆芯和辅助系统组成。堆芯内装有核燃 料，维持裂变链式反应，绝大部分裂变能以热的 形式释出并由冷却剂向外传递。核材料是含有易 裂变核素（铀-235、铀-233或钚-239中任意一种 ）的金属或陶瓷，通常包覆以包壳材料，组成一 个拆卸和更换的独立单元成为燃料元件。
添加一定量的铌可以消除碳、铝和钛等杂质的有 害作用，提高耐蚀性，减少吸氢量，是合金得到 强化；少量的铁可进入氧化膜，见少膜内阴离子 空位浓度。抑制氧离子沿阴离子空位想金属界面 的扩散。 4.1.1.3 锆-铌-氧合金 法国研究开发的M5合金和俄罗斯的EIIO（ Zr-1Nb）合金均为锆-铌-氧合金，两者的区别在 于氧含量。M5合金有较好的耐高温水和水蒸气腐 蚀的特性。M5合金的成分为Nb1.0，O0.12，使 用状态为再结晶状态，锆中添加少量的氧，可以 显著提高合金的强度。
力学性能 由于铌和锆的晶体结构相同，原子半径也很接 近，可以形成一系列的固溶体。同时通过加热到 (β+α)和β相区处理后，因Zr-2.5Nb合金具有弥散强 化的特点，因而可以提高合金的强度。 蠕变性能 工业锆合金中，以Zr-2.5Nb合金的蠕变速率为 最小。影响蠕变性能的因素主要是合金的化学成分 和微观结构。 ④吸氢和延时氢化开裂（DHC） 在反应堆运行期间，Zr-2.5Nb合金也存在着吸 氢和延时氢化开裂问题。吸氢的过程是重水流过压 力管内部，在内表面发生反应形成氧化内中子能量大小，分为快中子反 应堆和热中子反应堆等堆型。以水作为慢化剂的热中 子反应堆根据氢原子中的中子数不同，可以分为轻水 堆(LWR) 、重水堆等；轻水堆根据冷却剂状态不同可 以分为压水堆、沸水堆等。 压水堆(PWR)：使用加压轻水作冷却剂和慢化剂 ，水压约15.5MPa，水在堆内不沸腾，驱动汽轮发电 机组的蒸汽在反应堆以外产生，借助于蒸汽发生器实 现，蒸汽压力为 6 ～7MPa 。燃料为浓缩铀或 MOX 燃 料。 沸水堆(BWR) ：使用轻水作冷却剂和慢化剂, 水 在堆内沸腾, 压力约为7MPa, 驱动汽轮机发电机组。 燃料为浓缩铀。
3.2 托卡马克装置
托卡马克(Tokamak) 是一种利用磁约束来实 现受控核聚变的环性容 器。托卡马克的中央是 一个环形的真空室，外 面缠绕着线圈。在通电 的时候托卡马克的内部 会产生巨大的螺旋型磁 场，将其中的等离子体 加热到很高的温度，以 达到核聚变的目的。相 比其他方式的受控核聚 变，托卡马克拥有不少 优势。
（3）中子倍增材料。这种含有能产生(n，2n)和(n ，3n)核反应的核素材料。铍(Be)、铅(Pb)和锆 (Zr)产生这种核反应的截面较大。含有这些元素的 化合物或合金如Zr3Pb2，PbO和Pb-Bi合金都可以 作为中子材料。 （4）第一壁材料。第一壁材料是托克马克装置包 容等离子体区和真空区的部件。第一壁结构材料 要在高温、高中子负荷下有合适的工作寿命。目 前选用的有奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、钒、 钛和钼等合金。第一壁材料还包括高热流材料、 低活化材料。
重水堆(Candu ）和压力重水堆 (Phwr) ：重 水堆原理与轻水堆相似，只是重水堆的慢化剂和 一回路冷却剂是重水。因为重水热中子吸收截面 远小于普通水的热中子吸收截面，所以可以用天 然铀作为重水堆的核燃料。快中子增殖堆(FBR) : 堆内不使用慢化剂，冷却剂可采用钠冷、铅冷等 多种形式，因其中子未经慢化，故称为快中子堆 。堆芯裂变反应的快中子被装在外围的铀-238 吸 收后，变成钚-239。当增加的钚-239 的量与堆芯 消耗量的比大于 1 ∶1的时候，就实现了增殖。故 称为快中子增殖堆。