核反应-聚变和裂变

核裂变

        核裂变,是指由重核(也就是较大的原子核)分裂为两个多个中等质量原子核的核反应叫做重核的裂变。

比如:

 

核裂变的元素

        最为常见的核裂变元素是铀与钚。核裂变过程主要是指铀核或钚核,分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。

        原子弹、裂变核电站或核能发电厂的能量来源就是核裂变。


核裂变与链式反应

        以铀U235为例,其核裂变方程为

        一个中子的轰击,产生了2-3个中子,继续撞击另外的原子核,引起其他的裂变,这样,裂变就会不断进行下去,释放更多核能,这个过程称为链式反应,上述方程中,左侧的总质量要比右侧的总质量大,因此存在着质量亏损。根据爱因斯坦质能方程E=mc可知,铀U235的核裂变会释放大量的能量。这既是原子弹的原理,也是核电站发电的原理。


核裂变质量亏损计算

        核裂变质量亏损计算,需要借助爱因斯坦质能方程△E=△mc²来求解。


链式反应发生的条件

铀块的体积大于临界体积,保证中子能够碰到铀核;

有足够浓度的铀235;

有足够数量的慢中子。


核裂变的实例

        核电站和原子弹,原子弹是在极短的时间内进行链式反应而释放大量能量的武器,而核电站是缓慢进行链式反应而释放核能的装置,核能给水加热,蒸汽推动发电的轮机转动,进而产生电能。

核反应堆 

        用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置,叫做反应堆.反应堆主要由核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统和防护层等构成.

        通过受控核裂变反应获得核能的装置,可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应(self-sustaining chain reaction).

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核电站的工作模式

        利用反应堆中的核燃料裂变放出的核能转变为电能的发电厂,叫做核电站.

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核聚变

        两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应,称为核聚变。使核发生聚变需要几百万度以上的高温,核聚变又称热核反应。

 

核聚变方程

        核聚变方程有很多,典型的核聚变方程如下图所示:

        核子氘与核子氚碰撞后合成氦,并产生一个中子,并释放能量。

 

核聚变发生的条件

        要使轻核聚变,就必须使轻核接近核力发生作用的距离(10-15m以内),但是原子核是带正电的,要使它们接近10-15m就必须克服巨大的库仑斥力作用,所有要有足够的动能。要使原子有足够的动能,就要给核加热,是物质达到几百万开尔文的高温。因此核聚变只有在超高的温度小才能发生。

    

核聚变释放能量的原因

        1.从核子的平均质量上分析,轻核的平均质量比中等质量的原子核的平均质量大,当轻核聚变为中等质量的原子核时,由于核子数不变,平均质量变小,必然引起质量亏损,释放能量。

        2.从比结合能上分析,中等质量的原子核比结合能大,轻核聚变为中等质量的原子核时要释放出能量。

 

核聚变实例

        太阳和许多恒星都是巨大的热核反应堆,太阳的主要以氢为主,其中心温度达1.5×107K,在此温度下,氢核聚变为氦核的反应持续不断的激烈进行。不断放出能量。

        氢弹也是利用核聚变的武器,在弹体内部,需要利用原子弹爆炸产生高温高压来引爆氢弹。