《核聚变》名师课件

E mc2
关于质能方程的补充说明
利用原子质量单位u和电子伏特eV计算 1u=1.6606×10-27kg 1eV=1.60×10-19J 1u相当于931.5MeV能量！
质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，质量和能量 在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化！
根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为 零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质 量，所以质量守恒、能量守恒仍成立！
核子平均质量（知识储备2)
研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数的增大而 增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量 与原子序数有如图的关系：
核子的平均质量是： 原子核的质量 核子数
核子平均质量与原子序数之间的关系
核子平均质量
D E F
O
Fe
如何理解原子核A 与B、C的差异？D、E 与F的差异？
课堂小结
主要学习了核聚变概念，聚变核反应的特点和 条件，知道了实现的方法；同时学会了写出聚 变方程并计算核能。
了解受控热核反应及其研究和发展。受控热核 反应的研究和实验将为人类和平利用核能开发 新的途径。
互动训练
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优教提示
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二、受控热核反应
1、聚变与裂变相比的优点 ：
（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）轻核聚变更为安全、清洁。
一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了；聚 变产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚、 高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂 变所生成的废物的数量少，容易处理。
优教提示
打开工具栏，点击“课件素材”，选取“动画演示：核聚变”
核聚变条件
聚变条件：原子核必须接近到原子核大小的尺寸范 围，即10-15 m！（要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有 很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力）。
实现的方法： 1．用加速器加速原子核
人工核反应：利用加速器将氘加速到所需的能量（约72KeV)， 轰击含氚的靶。这种方法引起聚变的几率极低（约百万分之一）。
CB
A Z
释放核能的方式
物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反 应叫做裂变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的 反应叫做聚变．
+
聚变
+
裂变
一、核聚变及其条件
地球上最容 易发生的氢
核聚变
氢核聚变
：
2 1
H
31H42
He
1 0
n
17
.6
MeV
平均每个核子释放能量 3 MeV以上，约为裂变反应 释放能量的3～4倍!
2. 核武器——氢弹！在短时间释放巨大的能量， 这就是聚变引起的核爆炸。
核聚变普遍存在于宇宙中
至今转化为能量的物质
约100个地球质量
太阳每秒释放的能量
约3.8×1026 J
地球只接受了其中
二十亿分之一
太阳每秒参与碰撞的原子核
7亿吨
每秒转化为能量的物质
400万吨
太阳的这种“核燃烧”还将持续
维持50亿~60亿年
2．把原子核加热到很高的温度108~109K
将一团氘和氚核约束起来，并保持一定的Baidu Nhomakorabea度。将核加热到上亿 度的超高温，使其在极短时间内一起发生聚变。
聚变反应特点
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量， 靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去。
实例：
1. 太阳内部和许多恒星内部温度高达107K以上， 其反应就是热核反应的实例。
核武器——氢弹
弹体
普通炸药 小 型
铀 235
原
外壳
子 弹
氘、氚、
重氢化钾 等 引爆装置
氢弹爆炸形成的蘑菇云
典例探究
（2）由题给条件可求得质量亏损为： Δm = 2×2.0136 u－(3.0150 + 1.0087) u = 0.0035 u 释放的核能为： ΔE = Δmc2 = 0.0035×931.5 MeV= 3.26 MeV
中国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况
东方超环——EAST全超导托卡马克实验装置
受控热核反应
（2）惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质。
以激光进行惯性约束聚变的图解： 1.蓝色箭头代表激光； 2.橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量； 3.紫色代表因激光热能而产生向内的惯性作用力； 4.橙色代表压缩后的燃料核，产生的热量快速向外放 射，发散的能量是激光光束加在燃料球上的数倍。
受控热核反应
2. 目前还不能控制热核反应的主要问题：
（1）热核反应的的点火温度很高； （2）如何约束聚变所需的燃料； （3）反应装置中的气体密度要很低 ，相当 于常温常压下气体密度的几万分之一。
受控热核反应
3. 实现核聚变的两种控制方案：
（1）磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质。目前性 能较好的磁约束装置是环流器（又称托卡马克tokamak)
太阳如何运作？
太阳磁场爆发时，太阳表面的耀斑和冕环。
质量亏损与质能方程（知识储备1)
在核反应前后，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和
的现象叫质量亏损。 爱因斯坦相对论指出：
质能方程
物体的能量和质量之间 存在着密切关系，物体 具有的能量与其质量成 正比，如果核反应前后 出现质量亏损，可以推 算出反应中释放的核能。