1、3.1 核 裂 變 及 核 聚 變,太陽的壽命,燃燒 1 kg 煤所釋放的能量大約是 24 MJ。 假如太陽是由煤所構成，它就會在 4000 年內耗盡所有燃料。不過，研究顯示太陽已存在超過 40 億年。,太陽的能量從何而來？,來自它核心內的核聚變。,1 核裂變,核裂變發生時，一個較重的原子核會分裂成兩個較輕的原子核和數個中子。 低速中子撞擊鈾-235核時，鈾-235核或會發生核裂變。,模擬程式,天然的鈾包含兩種同位素： 鈾-238 (99.3%) 和鈾-235 (0.7%) 鈾-235 較稀有的同位素 能發生核裂變 會分裂成不同元素的原子核，但多數是鋇(barium) 和氪(krypton)的
2、原子核U + n Ba + Kr + n + n + 能量,裂變的反應要在大約 1000 C 的高温下發生。 重量為 1 g 的鈾-235裂變時會釋放約 7.2 1010 J 的能量。 龐大的能量,燃燒 1 kg 煤所釋放的能量大約是 24 MJ。 1 g 的鈾-235 = kg 煤,3000,核裂變時，一個重的原子核分裂成較輕的原子核，過程中釋放出大量能量。,鈾-235 較稀有的同位素 能發生核裂變 會分裂成不同元素的原子核，但多數是鋇(barium) 和氪(krypton)的原子核U + n Ba + Kr + n + n + 能量,2 連鎖反應,鈾-235核分裂時，會放出兩至三個中子。
3、這些中子可能 繼續令鈾-235分裂（但先決條件是附近要有很多 鈾-235核）。 逃逸到外面，不會繼續引發裂變。 鈾礦石的質量愈大，中子逃逸的比率愈小。,當鈾礦石的質量 臨界質量，核裂變便會連續不斷地迅速發生。 連鎖反應,模擬程式,連鎖反應是可控制的。 如：用物質吸走部份中子,例題 1,(a) 求 x 和 y。,考慮原子序數,94 + 0 = 42 + x + y 0, x = 52,考慮質量數,239 + 1 = 104 + 134 + y 1, y = 2,(b) 如果有足夠的鈽燃料，這核裂變可產生連鎖反應嗎？,可以（ 這核裂變會製造中子）,3 核聚變,將兩個較輕的原子核結合為一個較重的原子
4、核，同樣會釋放出大量能量。 核聚變,一個氫-2（氘）核和一個氫-3（氚）核結合成為氦-4 核，並放出一個中子,模擬程式, 原子核帶正電 它們會相互排斥 若要聚變發生，兩個原子核必須以極高速撞向對方。 要使原子核高速移動，可以利用核裂變將温度提高至攝氏 1 億度 (108 C) 原子核以高速互相碰撞，引起聚變,反應是不可控制的。(現時而言),在氫的聚變中 1 g 燃料釋放 3.4 1011 J 能量 比核裂變( 7.2 1010 J )釋放更多能量,核聚變時，兩個原子核結合成為一個較重的原子核。若兩個原子序數低的原子核結合，便會釋放大量能量。,太陽中心部分發生的核聚變 產生能量 主要是由氫聚合成
5、氦 持續了幾十億年,例題 2,(a) 求 x 和 y。由此指出 Z 是甚麼。,考慮質量數,15 + 1 = x + 4, x = 12,考慮原子序數,7 + 1 = 6 + y, y = 2, Z 是氦原子核。,(b) 寫出一個發生核聚變的條件。,温度必須達到約 108 C。,進度評估 1 Q1,下列哪種元素可應用於核裂變？,A 鈾-235 B 鈾-238 C 氫 D 氦,進度評估 1 Q2,M N A 電子 電子 B 電子 能量 C 中子 電子 D 中子 能量,一個鈾原子核發生核裂變。M 撞擊鈾原子核產生 N。,M 和 N 是甚麼？,進度評估 1 Q34,核 _ 發生時，氫原子核結合形成 （
6、較重較輕）的原子核。 核 _ 發生時，鈾原子核分裂成較輕的原子核，釋放出大量能量。要維持 _ 反應，裂變過程必須釋出 _。,聚變,裂變,連鎖,中子,進度評估 1 Q5,x = _ y = _,這是一個核（裂變聚變）的例子。,4,4,4 核 能,a 受控核裂變,在受控制的情況下，核裂變產生的核能可以用來發電。,鈾-235在核電站的核反應堆內發生核裂變，所釋放的能量被轉化成電能。,例題 3,大亞灣核電站有兩個反應堆，每個反應堆的功率均為 900 MW (1 MW = 106 W)。,(a) 核電站在 1 小時內最多可提供多少能量？,最多可提供的能量,= 2 900 106 3600,= 6.48
7、1012 J,(b) 設核電站的效率是 33.3%，試計算 1 小時內鈾燃料所釋放出的能量。,= 1.95 1013 J,鈾燃料釋放出的能量,b 潛在危機,核電站製造的核廢料具有放射性。 處理和儲存都會出現嚴重的問題 必須送往處理工廠，將有用的原料從廢料中提取出來 剩餘的廢料會儲存在鋼質圓桶內，長年埋在偏遠地方的地底下,核廢料,c 優點與缺點,使用核能與否是一個極富爭議性的問題。 支持者認為 核能是解決能源短缺危機的辦法。 核電站的燃料體積很小。 沒有燃料運輸的問題 適合那些需要長距離運送煤或石油的地區,支持者認為 比燃煤或燃油發電便宜。 比較清潔，所引起的環境污染問題較少，而燃煤及燃油的發電
8、廠則會產生大量飛灰。,反對者認為 核能並非必要。未來對能源的需求可透過開發替代能源及節約能源來解決。 廣泛使用核能會助長核武發展。 要花費大量金錢去維持和提高核反應堆的安全標準，並不一定較燃煤或燃油發電便宜。,反對者認為 對公眾帶來不能接受的危險。儘管發生核事故的可能性很低，可是一旦發生意外，後果會不堪設想。 處理及儲存核廢料會造成嚴重的安全問題。,核能有助解決世界未來能源短缺危機，但也會帶來嚴重的社會及環境問題。,d 受控核聚變,海水含有很豐富的核聚變燃料，而且聚變的產物氦是一種不帶放射性的惰性氣體。 科學家希望可以在本世紀中期建立成第一個核聚變反應堆。,如果可以控制核聚變，人類就可得到一種
9、非常便宜、充足和安全的能源。,5 核 武,a 原子彈,把超過臨界質量的濃縮鈾分為兩半，放在彈殼內，便製成了原子彈。 引爆時，兩堆濃縮鈾會混在一起，令總質量超過臨界質量。, 引發不受控的連鎖反應 釋放大量熱和核輻射,化學爆炸品,鈾-235,鈾礦石通常只含有 0.7% 可裂變的鈾-235。 要製造原子彈的話，鈾礦石就要經過複雜的程序處理，以增加鈾-235的濃度。(85 % 以上),video: The first atomic bomb(1945),The bomb reaches ground after 43 s. 炸彈43 s 後到達地面。 A fire wall of 300 m high
10、 is set up. Temperature reaches 4000 oC. All people immediately vaporize or turn into carbon. 形成高 300 米的火墻。溫度達 4000 oC，所有的人立即蒸發，或變成碳。 Infra-red radiation and gamma rays are also emitted. 此外，亦發出紅外輻射和伽瑪射線。 Shock waves occur a few second later. 激波會於數秒後產生。,video: The first atomic bomb(1945),b 氫彈及中子彈,氫彈的
11、威力來自人造的不受控聚變。 利用不受控的裂變（原子彈）來引發聚變。 一般而言，氫彈的破壞力比原子彈大 100 至 1000 倍。,b 氫彈及中子彈,中子彈與氫彈相似，分別在於它在高處爆炸。 由核聚變產生的中子到達地面時，會殺死人及牲口，但不會破壞建築物。,進度評估 2 Q1,使用下列哪些燃料發電會產生污染？,A 只有 (2) B 只有 (1) 和 (2) C 只有 (1) 和 (3) D (1)、(2) 和 (3),(1) 天然氣 (2) 鈾-235 (3) 石油,A 運送燃料的問題較少 B 發電時製造較少空氣污染物 C 每單位質量的燃料可釋出較多能量 D 以上皆不是,進度評估 2 Q2,下列哪項是燃煤或燃油發電較核能發電優勝的地方？,A 聚變 B 裂變,進度評估 2 Q3,3. 在大亞灣核電站的反應堆內發生哪種核反應？,進度評估 2 Q4,A 核電站使用的放射源濃度不夠高。 B 核電站設有安全措施。 C 兩者的核反應屬不同類型。,4. 為甚麼核電站發生意外時，不會像原子彈般引起強烈爆炸？,文章 : 輻射洩漏,xx/07/2015 交,習題與思考 3.1,完,
