高中物理 19.7《核聚变》素材 新人教版选修3-5.pdf

19.7 核聚变 相关素材 19.7 核聚变 相关素材 1、氢弹 1、氢弹 大家知道，核能的利用除了裂变能外，还有聚变能另外从结合能曲线上可以看到，氘、氚、 锂等轻元素都可用作为核聚变反应的原料 氢是最难发生聚变反应的装料至于氚，它易发生聚变反应，但在自然界中含量十分 稀少，必需花费巨大的投资才能制备它而只有氘，它是热核反应的积极参加者，又比氢容 易控制，并在自然界中也有一定的含量它在普通海水中占 0.0148％，即 6757 个氢原子中 只有一个是氘原子，也就是说每升海水中，大约含氘 0.003 克 由于地球上有着大量海水，经过估算氘的储量竟高达 35 万亿吨，如能全部提炼出来， 就足够人类用上千百亿年 由于聚变反应释放的能量比裂变能大得多， 加上聚合反应速度也 特别快 这样就有可能利用不可控的聚变反应制造出威力远大于原子弹的氢弹 如果人们采 用某种方法把氢弹所需的核装料安置在原子弹的周围， 一旦原子弹引爆后就能产生几百万度 高温，促使核聚变反应连续不断地进行下去，这就是氢弹爆炸的原理 理论计算表明，如果一公斤氘氚混合物全部聚变，就能释放出约为 58000 吨梯恩梯当 量的能量，这比起相同质量的裂变反应所释放的能量约大四倍。

而且在氢弹的构造中，不存 在像原子弹构造中所提及的临界质量问题的限制 故氢弹可以做得较大， 其爆炸威力也就更 大 当然，氢弹也受到核装料的数量和运输条件等方面的限制它们在常温、常压下都是 气态物质，存在着体积大不易存放的不利之处为了能把氘和氚密集起来，就要加低温(一 般为零下 200 多摄氏度)液化或加上超高压固化，只有这样才能把氘、氚用作氢弹的装料 世界上第一颗氢弹的爆炸是美国于 1952 年 11 月 1 日，在太平洋的珊瑚岛(即马绍尔群 岛)上进行的所用的核装料是液态氘、氚混合物，放称之为“湿法”氢弹其结构既庞大又 复杂，总重量高达 65 吨，根本无法用飞机运载而实际上它仅仅是一个热核试验装置但 其爆炸威力很大，相当于一千万吨梯恩梯，是投在广岛弹的 500 倍 然而，随着氢弹技术的发展，人们终于找到了另外一种比较理想的氢弹装料，这就是 氘化锂 6它在原子弹爆炸所形成的高温下，可裂解为氘和锂 6，而锂 6 俘获中子后所生成 的氚就能和氘在高温下进行核聚变反应相比之下，这种氘化锂化合物的成本比氘低得多 而特别应该指出的，它是一种稳定的固态化合物，因而便于长期保存，更不需要庞大的冷冻 装置，所以氢弹的体积和重量均可大大缩小，故也称之“干法”氢弹。

这就为以后把它制造成 为一种有实际军事价值的热核武器，创造了十分有利的条件 在近代核武器的研制中，还有一种“氢铀弹”，即在氢弹外面再包上一层厚厚的铀 238 由于铀 238 本身也不存在临界质量的问题， 故可包得很厚； 加上铀 238 在自然界中的丰度很 高，人们能容易取得它，故核装料的成本可大大降低显然，这种氢铀弹的爆炸威力要比普 通的氢弹大得多，而且裂变能和聚变能大致上各占一半，但有时裂变能所占的比例达 80％ 爆炸后的放射性裂变产物的污染程度也特别严重，为此人们常称它为“肮脏”氢弹 美国人曾在 1954 年 3 月 1 日，利用马绍尔群岛中的比基尼岛，进行了第一次铀氢弹爆 炸其威力之大，震动了全世界，相当于 1500 万吨梯思梯，总重量为 20 吨另外值得注意 的是，当时刚好有一阵放射性尘埃降落在一艘日本福龙丸号渔船上，船上的 23 名渔民就成 了受害者而得了放射病， 其中一人在半年后死亡， 船上的鱼当然也受放射性污染而全部销毁 了，为此激起了日本人民的强烈抗议 美国从 1945 年 7 月 16 日试爆第一颗原子弹到 1952 年 11 月 1 日氢弹爆炸，共花了七 年半时间，而轻便式的氢弹直到 1954 年才试制成功；前苏联从 1949 年 9 月 22 日爆炸第一 颖原子弹后，经历四年时间，到 1953 年 8 月 12 日成功地进行了用飞机运载的氢弹爆炸；英国从 1952 年 10 月 3 日第一次原子弹试验到 1957 年第一次热核试验，经过四年半时间；法 国从 1960 年 2 月 13 日第一次原子弹试验到 1968 年 8 月 24 日第一次热核试验，经过八年 半时间；而中国从 1964 年爆炸原子弹后，到 1967 年氢弹爆炸试验成功，前后仅用了两年零 八个月时间。

当今世界上拥有核武器最多的是美苏两国，它们为了能在核军备竞赛中取得垄断地位， 并对无核国家进行核讹诈，于 1963 年 8 月伙同英国在莫斯科签订了三国核武器禁试条约， 其目的是为了约束别国的核试验，而它们三国却仍可进行地下核试验截止 1977 年底，美 国核试验达 595 次，苏联为 283 次，核爆炸的累计当量约为 22000 万吨梯思梯早在 1961 年 10 月 30 日， 苏联已爆炸了五千万吨级梯思梯当量的热核装置和一亿吨级的超级氢弹 当 然，美国也完全有能力制造这种超级炸弹，其威力甚至会更大 然而，中国为了打破美苏的核垄断和维护世界和平事业，正在独立自主地发展自己的 核武器同时，法国也在独立研制自己的核武器这就使得三国禁试条约已成为一纸空文， 直接动摇了美苏的核垄断地位 到了 1978 年，美苏的核军备竞赛又出现了新的升级美国首先正式宣告要生产“中子 弹”，这是美苏两国已经研究了将近 20 年的一种新式核武器实质上它也只不过是一种所渭 小型“干净”氢弹小型是指它的爆炸威力只有一千吨梯恩梯当量，仅是第一颗原子弹的二十 分之一；而“干净”是指用少量的裂变燃料引爆因此爆炸结果没有很大的放射性污染，而且 它的冲击波和光辐射的破坏作用被局限在很小的范围内。

中子弹主要的杀伤作用是由氘－氚聚变反应中所放出的高能量中子，它能容易地穿透 坚厚的各种物体而置人于死地 它对各种物质财富和建筑物的破坏作用是不大的， 辐射的寿 命也很短，大约几小时后就能消失，人就能进入被这种炸弹袭击过的地区如用原子弹或氢 弹则辐射寿命很长，需几个月后人们才能进入当然，这种炸弹只有不用核爆炸来引爆，如 用大功率的激光束或其它无辐射高能装置引爆时，这才是名副其实的“中子弹” 总之，凡是利用核能(包括裂变能和聚变能)的武器，不论是原子弹、氢弹和中子弹，都 称为核武器而且不论“肮脏”还是“干净”，它们对人类都是有害的看来不少科学家早先担 心核能被用于战争的忧虑还是有根据的 至于那些在第二次世界大战中直接被原子弹伤害过 的受害者，当然更有理由觉得核武器的可怕 但是无论怎样，这决不是核科学家研究和利用核能的真正目的从人类历史发展的长 河中，我们可以清楚地看到，任何一种科学上的新发现，都能增强人类支配自然的能力而 核能本身是一种高浓度的巨大能源，所以它也一定能被人们用来为人类的进步和文明服务 人类生存的目的总是希望能生活得更美好，而决不是为了破坏…… 2、核动力的应用 2、核动力的应用 自从地球上第一次出现人类以来， 人类为了求得自身的生存和发展， 一直在为扩大能源， 提高自己驾驭大自然的能力而斗争。

为此，人们曾经利用过大自然所给予的各种动力资源， 从最初依靠自己的体力，发展到利用畜力、水力、风力和木材、煤炭、石油、天然气等等 然而，所有这一切能源，它们都离不开太阳能太阳能是由于太阳上的大量氢核在 极高的温度下，聚变为氦核时所释放的巨大的聚变能，并在其周围形成一圈强烈的热扰动， 并以热辐射能照射到各个星球上， 其中的很小一部分照射到地球表面， 仅此已足以使地球上 的各种生物繁殖生长 植物通过光合作用，把空气中的碳、氢、氧、氮合成为有机物，以化学能的形式储 存在植物中 而牛马等家畜吃了青草， 身体内细胞的新陈代谢作用变成为人类可以利用的畜 力；同样，人食用了蔬菜、水果和肉类等食物后，就可形成能劳动的体力 另外，太阳光的热能使海洋里的水蒸发，形成天空中的云云在大自然的作用下， 以降雨的形式在高山上形成瀑布或在水库中把能量储存起来， 经开发后由水轮发电机组转变为电能输送出去加以利用 还有， 因大自然的变迁可把大量有机物质和森林等深埋在地层内， 天长日久后形成石油和煤炭，及天然气等有用的动力资源 多少年来，人类就是利用太阳能所形成的动力资源，推动着生产力向前发展，并不 断提高人们的物质生活和精神生活。

而随着人口的不断增加，社会生产力的不断提高，以及 人们对高度物质文明和精神文明的需要， 使得人们对动力资源的需求也就越来越大 特别是 一切现代化工业、农业、交通运输业、国防和科技等都需要大量的能源，才能维持其高速度 发展 人口的增长和能源的消耗量基本上是正比关系，而随着人口的增长，能源的消耗量 飞快地增加人口 50 年翻一番，而能源消耗，从 1956～1970 年相隔 15 年就增加了一倍多 当然，各国的消耗量和其工业发达的程度有关二十世纪七十年代，一个美国或加拿大公民 每年耗能 8.4 吨石油而这两国的人口只占世界总人口的 6％，耗能却占了 31.3％；相反， 占世界人口 10％的非洲人，耗能只占 2％，平均每人只消耗 0.31 吨石油，远小于世界平均 值每人 1.6 吨 由此设想，如果全世界每一个公民都能享受到像美国等发达国家的消耗量，那么即 使人口的净增长率为“零”， 其能源的消耗量也要猛增五倍 如按煤和石油的发热量进行计 算，可得每吨石油相当于 1.4 吨煤的发热量，则每年要消耗 450 亿吨煤而地球上已查明的 有开采价值的煤炭储藏量为 13000 亿吨，这样不到 30 年就将开采完。

另外，加上石油的储 藏量也只能增加十年的开采量，也就是说 40 年左右就要用完 当然，人们还可采取其它种种措施，如开发水力、风力、太阳能等但由于人口的 不断增加(大约每秒钟增加一人)，生活对能源的需求仍将不断扩大按保守的估计，即保持 原有的耗能水平，那么煤的开采只能维持 200 年，而石油和天然气则更短，为 50 年左右 这就好像一个人只从银行取款，而没有新款存进去一样，总有一天要取完为此，世界上许 多国家，特别是那些动力资源贫乏的那些国家，都在寻找开发新能源的途径而 1939 年巨 大的核裂变能的发现，立即引起了各国能源专家的重视 由于第二次世界大战的特定环境，核能末被和平利用，而首先用于军事目的但是 第二次世界大战以后，美、苏、英、法等国都成立了利用核能的工业部门，大力发展和推广 核能的应用其实人们早在蒸汽机时代，就知道把热能转换成电能为人类服务而核裂变能 它也是以热能的形式出现的，只要把这些热量传递出来，就能对核能加以利用 核能只能在特定的反应堆内释放，首先转换成热能，然后通过蒸汽透平带动发电机 组转换成对人类特别有用并能方便传送的电能， 这就是核发电站的设想 原子能电站通过铀 235 核裂变链式反应可释放出巨大的热能， 然后由载热剂(如水或二氧化碳气体等)把热量带 到热交换器，把热量交换后，由主泵把载热剂送回到堆内。

在热交换器内产生的蒸汽被送入 了透平车间，推动蒸汽透平转动的同时带动发电机组，最后变成电能输送出去 由于美国在核能发展方面的有利条件， 使得它早在 1950 年就曾利用核能进行发电的 尝试那是建造在布鲁克海文实验室的一个实验性核动力堆，电功率为 3 万千瓦，用天然铀 作燃料，石墨作慢化剂，反应堆的芯部通入空气进行冷却，然后将被加热的空气引入热交换 器，使水变成蒸汽，最后推动小型透平发电机组发电另外在 1951 年 12 月 20 日，美国利 用它的第一座生产钚的增殖反应堆的剩余热量来发电，电功率为 100 千瓦 虽然美国从五十年代初就开始研究和建造用于发电的各种类型的反应堆，但其真正 的目的还是在于军事1954 年，美国建造的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号举行了下水典 礼， 这就是一个很好的证明 而世界上第一个使用核燃料把核能用来发电的核动力反应堆是 在苏联首先建成的 这个核电站是在 1954 年 6 月 2。