第3节 核聚变

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1、北京师范大学基础教育实验学校贵州兴仁中学物理教师：杨弟祥第3节核聚变第4章核能1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了七年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。一、聚变及其条件问3：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？问1：什么叫轻核的聚变？问2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？一、聚变及其条件问1：什么叫轻核的聚变？氢的聚变反应方程是什么？——两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。一、聚变及其条件问

2、2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？——因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。一、聚变及其条件问3：核聚变发生的条件是什么？请同学们试从微观和宏观两个角度说明。——物质达到几百万度以上的高温微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m，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。宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。聚变反应一旦发生，就不再需要外

3、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，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。一、聚变及其条件【例1】4个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子,写出核反应方程并计算平均每个氢核释放的能量。并计算1g氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量？（mp=1.007825u，mα=4.002603u）说明：（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的

4、过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿～100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！说明：（2）聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的然料容易获得。氘可以从海水中提取，氚是放射性核素，天然的氚不存在，但可以通过下列反应得到轻核聚变是最理想的能源。（3）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。二、可控热核反应问1：要在实验室中使核子发生聚变

5、，必须使核子接近能发生作用的范围。由于原子核带正电，那么如何才能使两个核接近这个距离？问2：物质第四态指什么？问3：要使高温等离子体维持一定时间是一件非常困难的事，目前有适合这种能耐高温又不导热和材料吗？问4：目前对等离子体进行约束的方法有哪些？二、可控热核反应问1：要在实验室中使核子发生聚变，必须使核子接近能发生作用的范围。由于原子核带正电，那么如何才能使两个核接近这个距离？——必须克服电荷之间巨大的斥力，即要求核子具有足够大的动能。由于温度是热运动平均动能的标志，故要发生聚变反应，必须要有高温。问2：物质第四态是怎么回事？——由于原子在高温下（T=

6、108K）完全电离，从而形成等离子体态，称为第四态。——目前还没有这种材料。问3：要使高温等离子体维持一定时间是一件非常困难的事，目前有适合这种能耐高温又不导热和材料吗？问4：目前对等离子体进行约束的方法有哪些？引力约束：磁约束：惯性约束等离子体进行约束的方法——1.引力约束太阳的中心温度约为1.5×107K，在这一温度下，只有很少的聚变反应发生，但太阳自身巨大质量产生的强大引力，把高温等离子体约束在一起，维持热核反应进行。引力约束的条件在实验室是无法实现的。等离子体进行约束的方法——2.磁约束靠磁压缩装置实现，利用磁场将高温、高密度等离子体约束在一定

7、的容器内，且维持足够长的时间，使其达到“点火”条件。托卡马克装置等离子体进行约束的方法——2.磁约束环状线圈初级线圈环型真空实通电电流可高达106A，它有两个作用，一是给等离子体加热，二是产生围绕电流的磁场。合磁场等离子体进行约束的方法——3.惯性约束利用强激光从多个方向同时轰击氘和氚的混合燃料丸（微小球体，直径几毫米），使然料丸表面层形成等离子体，在强激光压力下，内层然料丸密度迅速增加，直径减小，温度升高，引起热核反应。等离子体进行约束的方法——3.惯性约束惯性约束核聚变思想是1964年我国科学家王淦昌与前苏联科学院院士索夫分别提出的。目前还处于基础

8、研制阶段，大功率激光器的研制是实现惯性约束的关键。我国“神光”1号、“神光”2号相继研制成功，