最后更新: 2026-04-22 16:17 查看: 171 次纠错评论(0) 课件开VIP

裂变与聚变★★★★★

原子核中蕴藏着巨大的能量，那么，怎样才能让这些能量有效释放出来从而造福人类呢？

原子核中的质子数又称为**原子序数**（atomic number），这是因为它与元素周期表中元素的排列序号一致。很多排在周期表前面的轻核，其质子和中子数相等（ $N=Z$ ），例如，氦4的原子核有2个质子和2个中子，硅28各有 14 个质子和中子。但是大多数重核是中子多于质子，例如，金 197 有 79 个质子和 118 个中子，铀 238 有 92 个质子和 146 个中子。排在第 83 号元素铋之后的原子核不稳定，它们会自发裂变或衰变成更轻的原子核。排在第 92 号元素铀之后的原子核十分不稳定，很难在自然状态下存在。如第 94 号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，目前在自然界中尚没有找到．

## 核裂变与链式反应

由原子核的比结合能随质量数的变化曲线可知，原子核的比结合能在中等质量（ $A=56$ ， Fe 元素）附近有极大值．这意味着重核分裂成较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作**核裂变**（nuclear fission）。同样地，轻核聚合成较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作**核聚变**（nuclear fusion）．

一个原子核裂变所产生的能量，与日常生活的耗能相比是微不足道的．但由于物质所含的核子数目是十分巨大的，其单位质量所放出的能量也就十分惊人。为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来（如图 5－5－1 所示）．这样的核反应叫作**链式反应**（chain reaction）．

![图片](/uploads/2026-04/7fb014.jpg)
 
重核裂变的一个典型例子是铀核裂变，其反应方程如下：

$$
{ }_0^1 \mathrm{n}+{ }_{92}^{235} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{56}^{144} \mathrm{Ba}+{ }_{36}^{89} \mathrm{Kr}+3{ }_0^1 \mathrm{n} .
$$

铀核裂变时，同时放出 $2 \sim 3$ 个中子，有时甚至可以放出更多的中子。如果这些中子再引起其他铀 235 发生核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应。

在天然铀中，主要有两种同位素，其中 $99.3 \%$ 是铀 $238,0.7 \%$ 是铀 235 。这两种铀跟中子的作用很不相同。铀 235 俘获各种能量的中子时都可能发生裂变。铀 238 只有俘获能量大于 1 MeV 的中子才可能发生裂变．能量低于 1 MeV 的中子跟铀 238 基本上只发生弹性碰撞，不引起核反应．因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用高浓度铀 235.

铀块的体积对于产生链式反应也是一个重要因素．因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了．能够发生链式反应的铀块最小体积叫作它的临界体积．如果铀 235 的体积超过了它的临界体积，当有中子进入铀块，就可以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，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的．下图显示了铀矿。

![图片](/uploads/2026-04/02ae1d.jpg){width=400px}
 
 
##  核聚变及受控热核反应
两个轻核结合成质量较大的核，会发生核聚变，核聚变后比结合能增加，释放出大量的能量．例如，一个氘核与一个氘核结合成一个氦核（同时放出一个中子）的核反应方程为

$$
{ }_1^2 \mathrm{H}+{ }_1^3 \mathrm{H} \rightarrow{ }_2^4 \mathrm{He}+{ }_0^1 \mathrm{n} .
$$

该过程约释放出 17.6 MeV 的结合能。聚变时每个核子平均释放的结合能要比重核裂变时每个核子平均释放的结合能大 $3 \sim 4$ 倍．

要使原子核发生聚变，必须使它们接近到 $10^{-15} \mathrm{~m}$ ，也就是接近到核力能够发生作用的范围．由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间强大的静电斥力．这就要把它们加热到很高的温度，使原子核具有很大的动能。理论上，物质达到几百万摄氏度以上的高温时，小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度．因此，核聚变又叫作热核反应（thermonu－ clear reaction）．

热核反应在宇宙中是很普遍的现象。在太阳和许多恒星内部，温度都高达 1000 万摄氏度以上，在那里热核反应激烈地进行着。太阳每秒辐射出来的能量约为 $3.8 \times 10^{26} \mathrm{~J}$ ，这都是通过热核反应产生的。地球接受了其中的二十亿分之一，孕育出了丰富多彩的生命．

人工的热核反应可以通过原子弹爆炸时产生的高温来达到，氢弹就是这样制成的。如果热核反应所释放的巨大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加以利用（例如发电），这被称为受控热核反应．目前，受控热核反应是一项正在研究的尖端课题，其应用前景十分诱人，可彻底解决人类未来的能源问题，因此受到各国的高度重视．

## 核能利用

目前，人类主要是开发利用核裂变，还无法有效控制利用核聚变。
原子弹爆炸时链式反应的速度是不加控制的，为了人工控制链式反应的速度，使核能平缓地释放出来，人们制成了核反应堆．如图 5－5－3 所示是热中子反应堆示意图．

![图片](/uploads/2026-04/d275a1.jpg)
 
 热中子反应堆用的铀棒是天然铀或浓缩铀（其中铀 235 的含量约为 $3 \%$ ）．由于裂变产生的是速度很大的快中子，很容易被铀 238 俘获而不发生裂变，所以必须设法使中子在碰上铀 238 前降低速度．为此在铀棒的周围放上原子量比较小又不吸收或很少吸收中子的物体，如石墨、重水，快中子跟这些物体的原子核碰撞后，能量减小，变成慢中子，或称热中子．这种用来使中子减速的物体叫作慢化剂．慢中子碰到铀 238 时会弹射回来，却容易被铀 235 俘获而引起裂变。为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒．镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插人深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，将镉棒插人浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应速度就会增大．这种镉棒被称为控制棒．用电子仪器自动地调节控制棒，就能使反应堆保持一定的功率输出而安全地运行。

核反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。水、液态钠等流体在反应堆内外循环流动，不断地带走热能，输出的热能可用于发电。为了防止铀核裂变物放出的各种射线对人体产生危害，在核反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来．对放射性的废料，也要装入特制的容器中，埋人深地层来处理．
 利用核反应堆工作时释放出的热能，可以使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的＂燃料＂很少，一座百万千瓦的核电站，每年只消耗 30 吨左右浓缩铀，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗 250 万吨煤．目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同．为了适应我国现代化建设对能源日益增长的需要，我国已于沿海地区建成投产多座核电站。

另外，把核反应堆小型化，可以用于核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰等．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验，制造各种放射性同位素．

![图片](/uploads/2026-04/576183.jpg)
 
 `例` 2017年5月25日，＂华龙一号＂全球首堆示范工程——福清核电 5 号机组顺利完成穹顶吊装，工程正式由土建阶段进人安装阶段。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能，核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核轴发生裂变反应，释放出大量核能。已知一个 ${ }_{92}^{235} \mathrm{U}$ 核裂变时能释放 200 MeV 的能量，燃烧 1 kg 煤所放出的能量为 $2.94 \times 10^7 \mathrm{~J}$ 。请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。

分析：可以分别选取 1 kg 的 ${ }_{92}^{235} \mathrm{U}$ 和煤，比较 $1 \mathrm{~kg}_{92}^{235} \mathrm{U}$ 完全裂变和 1 kg 煤完全燃烧所释放的能量。

解： $1 \mathrm{~kg}_{92}^{235} \mathrm{U}$ 含有的原子数目

$$
N=\frac{M}{m_{\mathrm{mol}}} N_{\mathrm{A}}=\frac{1}{0.235} \times 6.02 \times 10^{23}=2.6 \times 10^{24} .
$$

而 200 MeV 相当于 $3.2 \times 10^{-11} \mathrm{~J}$ ，
则 1 kg 铀完全裂变释放能量

$$
E_1=8.3 \times 10^{13} \mathrm{~J},
$$

所释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量

$$
m_{\text {煤 }}=\frac{E_1}{q}=2.8 \times 10^6 \mathrm{~kg}=2800 \mathrm{t} .
$$

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