物理选修37 核聚变教学设计

课题引入

1、核反应有些释放能量，有些吸收能量，人们想利用核能，当然必须选那些释放核能的核反应。什么样的核反应能释放核能呢？利用天然放射性放射性元素的衰变行吗？例如

U 238在α衰变时放出的α粒子具有4.18MeV的能量，但它的半衰期很长，达4.49亿年，衰变非常缓慢，功率太小。利用人工转变行吗？例如

①           可放出能量5.6MeV；

②          可放出能量4.8MeV；

但粒子击中原子核的概率太低，只有百万分之一、二。实在得不偿失！有哪些核反应才真正具有实用价值呢？

2、说明有些重核分裂成中等质量的核，有些轻核结合成中等质量的核都能发生质量亏损放出巨大能量。物理学中，把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应叫裂变，把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫聚变。本节（包括课本第六节、第七节）介绍裂变和聚变。

重难点分析

1、裂变和聚变

精确的研究表明原子核中核子的平均质量跟原子序数的关系，如人教社教材中图24-11所示，这个图线是解释那些核反应释放能量的根据。这个图线表达了原子核组成的重要规律。按图线分析可知，怎样的反应有质量亏损是释放能量的，从而明确：裂变是重核分裂为质量较小的核，释放核能的反应；聚变是轻核结合为质量较大的核释放出核能的反应.

2、铀核的裂变

铀核的裂变，一般分裂为两个中等质量的核，叫二分裂，产物是多种多样的，一种典型的反应如下述核反应方程所示：

（也有三分裂、四分裂现象，但出现的概率极低，约为二分裂的千分之三和万分之三。）

这个核反应的结果中，又释放出2-3个中子，这些中子又会引起其他原子核的裂变，形成链式反应，使裂变继续下去。当然维持链式反应是要有一定条件的，这个条件是，每次裂变产生的中子，至少平均有一个能再度引起裂变反应。这些中子，有的可能被杂质吸收，有可能穿出裂变物质体外，因而不能引起新的裂变发生。为维持链式反应要减少裂变物质中的杂质，增大裂变物质的体积。可以简单介绍临界体积、临界质量的概念，纯U235球形的直径约4.8cm就达到了临界体积，其临界质量大约1kg左右.

根据质能方程可以计算出上述裂变反应释放的能量为201MeV. 铀核的每个核子平均释放约1MeV.

3、核电站

利用核能发电的核心设施是核反应堆. 核反应堆是用人工控制链式反应的装置，教学中要重点讲述用人工方法控制链式反应速度的原理。其构造可利用挂图，分五部分予以介绍.

（1）铀棒. 由浓缩铀制成，作为核燃料

（2）减速剂：常用的减速剂有石墨、重水等，使裂变中产生的快中子（能量在0.1-20MeV，平均约为2MeV）减速为慢中子（能量约为MeV），因为铀235裂变需要的是慢中子，只有通过减速，才能维持链式反应的进行.

（3）控制棒：用镉制成. 镉吸收中子的能力很强，调节镉棒插入的深度，改变吸收中子的数量，达到控制链式反应速度的目的.

（5）冷却剂，常用水，液体钠等，在反应堆内外循环流动，把反应堆产生的热能传出去用以发电，同时降温，保证安全.

4、聚变

聚变时平均每个核子释放的能量是裂变时的3-4倍（可以通过质能方程计算一下：

 释放17.6MeV平均每个核子释放3.52MeV）

产生轻核聚变的条件是高温。必须使轻核具有很大的动能，才能使它们接近到10－15m发生聚变.