第三章 5 核裂變

5核裂變［學習目標］1?知道什么是核裂變、鏈式反應及鏈式反應的條件2會利用質量虧損計算核裂變產生的核能.3.了解核電站的工作原理，知道如何控制核反應的速度.4.了解如何防止核污染.自主預習/預習新知夯實基礎一、核裂變1?核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個(或幾個)中等質量原子核，并放出核能的過程.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是292U+0nT44Ba+39Kr+卻.鏈式反應當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變,且能不斷繼續(xù)下去，這種反應稱為鏈式反應.鏈式反應的條件鈾塊的體積大于等于臨界體積.有足夠數(shù)量的慢中子.二、核電站核反應堆：利用核能發(fā)電的核心設施是核反應堆.它主要由以下幾部分組成：燃料：鈾棒.減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應，可采用石墨、重水、普通水作減速劑.控制棒：為控制能量釋放的速度，需控制中子的數(shù)目，采用鎘或硼作為控制棒來控制鏈式反應的速度.工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應區(qū)溫度升高.能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發(fā)電.核污染的處理：需要在反應堆的外面修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下或海底.(5即學即用1?判斷下列說法的正誤.鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象.(x)鈾塊的體積大于或等于臨界體積時鏈式反應才能不停地進行下去.(V)中子的速度越快，越容易發(fā)生鈾核裂變.(X)鈾核裂變的產物是鋇和氪，且固定不變.(X)核反應堆是通過調節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度.(V)核反應堆用過的核廢料無毒無害.(X)2?當235U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為：295U+0n-i54Xe+34Sr+30n-已知295U的原子質量為235.0439u0n的原子質量為1.0087u,^Xe的原子質量為138.9178u3|Sr的原子質量為93.9154u,且1u的質量對應的能量為9.3X102MeV，此裂變反應釋放出的能量是MeV(結果保留兩位有效數(shù)字)答案1.8X102解析AE=Am?c2=(235.0439+1.0087—138.9178—93.9154—3X1.0087)X9.3X102MeV^1.8X102MeV.重點探究/迪思m採憲重點一、核裂變及鏈式反應疔導學探究如圖1是中國第一顆原子彈爆炸的蘑菇云，原子彈爆炸發(fā)生了什么樣的核反應，并寫出核反應方程(生成物為154Ba和39Kr).如圖2所示的鏈式反應及原子彈的爆炸是怎樣形成的？這種反應能控制嗎？對人類的發(fā)展有哪些有益的作用？◎日供屮子圖1圖2答案(1)核裂變23)5，U+1)n^144Ba+86Kr+30n(2)核裂變是重核被中子轟擊后分裂成兩個(或幾個)中等質量原子核，并放出核能的過程?當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應稱為鏈式反應，若不加以控制，就會在瞬間完成，就形成了核爆炸，即原子彈的爆炸；如果對鏈式裂變反應的速度進行控制，使得裂變反應的速度變得較緩慢，能量也就緩慢地釋放，人們就可以和平利用這種能量，如發(fā)電.1.常見的裂變方程292U+0n—*i54Xe+9?Sr+2護2j2U+0n—*iggBa+89比+3護2?鏈式反應發(fā)生的條件鈾塊的體積大于或等于臨界體積.體積超過臨界體積時，保證中子能夠碰到鈾核.有足夠濃度的鈾235.有足夠數(shù)量的慢中子.裂變反應的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|量的原子核，發(fā)生質量虧損，所以放出能量.一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒釋放的化學能，裂變時能產生幾百萬度的高溫.鈾的同位素中鈾235比鈾238更容易發(fā)生鏈式反應.壽命題角度1對裂變的理解【例1】關于重核的裂變，以下說法正確的是()核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)要減少由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，放出核能答案D解析根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量，鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必須大于或等于其臨界體積，在裂變反應中核子數(shù)是不會減少的，因此選項A、B、C均錯.?命題角度2裂變產生核能的計算【例2】鈾核裂變的許多核反應中的其中一個是292U+0n*156Ba+92Kr+30n.試計算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量蜀U、^Ba、966心、0口的質量分別為235.0439I、140.9139u、91.8973u、1.0087u,1u相當于931.5MeV的能量)；1kg鈾235原子核發(fā)生上述裂變時能放出多少核能？這相當于完全燃燒多少煤釋放的能量？(煤的熱值為2.94X107J/kg)

答案(1)200.6MeV(2)5.14X1026MeV相當于完全燃燒2797.3t煤解析(1)裂變反應的質量虧損為Am二(235.0439+1.0087-140.9139-91.8973-3X1.0087)u二0.2153u.一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為AE二0.2153X931.5MeV~200.6MeV.(2)1kg鈾235原子核中含原子核的個數(shù)為103103235X6.02X1023^2.56X1024個1kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量A1kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量AEN二N?AE二2.56X1024X200.6MeV~5.14X1026MeV.設完全燃燒的煤的質量為m，有AEn二qm,5.14X1026X106X1.6X10-192.94X107kg心2797.3t?總結提升?計算核電站向外輸送的能量需要多少核燃料的思路是：計算一個核反應釋放的核能(或已知)AE；計算需要輸送的能量E；由公式m二AeM計算出需要的核燃料質量m.na?若計算相當于多少煤時，要注意單位的統(tǒng)一，一般用焦耳(J)作為能量的單位.二、核電站導學探究如圖3所示為核反應堆示意圖：圖3圖3核反應堆中各部件的作用是什么？⑵核電站發(fā)電有什么優(yōu)點？答案(1)鎘棒：吸收中子，控制反應速度.慢化劑：通常采用石墨、重水和普通水.作用是降低中子速度鈾棒：發(fā)生鏈式反應，產生能量.保護層：是很厚的水泥外殼，屏蔽射線，防止放射性污染.核電站發(fā)電的優(yōu)點消耗的核燃料少.作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量所能提供的能量大.對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小.知識琛化1.核電站的主要組成：核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235,它的主要部件列表如下:部件名稱項目減速劑控制棒熱循環(huán)介質保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘或硼水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應速度把反應堆內的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2?核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少，一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30t左右，而同樣功率的火電站每年要消耗煤250萬噸.作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大.對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小.【例3如圖4所示是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法中正確的是()鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應控制棒由鎘或硼做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子,鏈式反應的速度就會慢一些要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些答案B解析快中子容易與鈾235“擦肩而過”，快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘或硼做成，吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，要使反應更激烈，應使控制棒插入淺一些，選項C、D都錯誤.隨堂演練/檢測評榆達標過關（核裂變及鏈式反應）（多選）鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其中的一種裂變反應為235U+in-i44Ba+39Kr+3in，下列說法正確的有（）上述裂變反應中伴隨著中子放出鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響鈾核的鏈式反應可人工控制鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響答案AC解析從裂變反應方程式可以看出裂變反應中伴隨著中子放出，A對；鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生有影響，B錯；鈾核的鏈式反應可人工控制，C對；鈾核的半衰期不會受到環(huán)境溫度的影響，D錯.（對裂變反應的認識）（多選）（2020.武漢市調研）一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪，同時放出3個中子，核反應方程是292U+X-i46Ba+36Kr+3in，已知部分原子核的比結合能與質量數(shù)的關系如圖5所示，下列說法正確的是（）圖5核反應方程中，X粒子是中子核反應方程中，X粒子是質子29325U、15464Ba、8369Kr相比，14546Ba的比結合能最大，它最穩(wěn)定292U、^Ba、89Kr相比，292U的核子數(shù)最多，它的結合能最大答案AD解析根據(jù)核反應質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得，X粒子為2,是中子，A正確，B錯誤；從題圖中可知三種核中86Kr的比結合能最大，C錯誤；原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，則原子核的核子越多，它的結合能越高，D正確.（核電站與核反應堆）秦山核電站第三期工程的兩個6X105kW發(fā)電機組已實現(xiàn)并網發(fā)電，發(fā)電站的核能來源于295U的裂變，下列說法正確的是（）反應堆中核反應速度通常是采用調節(jié)235U的體積來控制的292U的一種裂變可能是235U+on-i59Xe+38Sr+2in232U是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會縮短雖然核電站能提供很大的能量，但它對環(huán)境的污染比火電站嚴重答案B解析反應堆中核反應速度由控制棒（鎘棒或硼棒）吸收中子來控制，A錯；2盪U裂變有多種可能性，這是其中常見的一種，B對；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度、壓強等外界條件無關，C錯；核電對環(huán)境的污染比火電小，D錯.（核能的計算）用中子轟擊鈾核（2毎U）,其中的一個可能反應是分裂成鋇（^Ba）和氪您心）兩部分，放出3個中子.各核和中子的質量如下：mU=390.3139X10-27kg，mn=1.6749X10-27kg；mBa=234.0016X10-27kg，mKr=152.6047X10-27kg.試寫出核反應方程并求出反應中釋放的核能.答案1n+235U—14*Ba+96Kr+31n3.2202X10-11J解析鈾核裂變方程為0n+292U-146Ba+96Kr+3&口，則核反應前后的質量虧損為Am=mU+mn~mBa-mKr-3叫二^578X10「28kg，由愛因斯坦質能方程可得釋放的核能為KE二Amc2二3.578X10-28X（3X108）2J二3.2202X10-11J.課時對點練./注至雙基強化落實｛基礎對點練考點一重核的裂變及鏈式反應1.鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是（）鈾塊的質量是重要因素，與體積無關為了使裂變的鏈式反應容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產生的快中子只有鈾235的體積不小于它的臨界體積，裂變的鏈式反應才能發(fā)生能否發(fā)生鏈式反應與鈾的質量無關答案C2?用中子轟擊鈾核（232U）的產物中有原子核鋇（lggBa）、氪（89Kr）、中子和一些y射線?下列說法中正確的是（）核反應方程是2?5U+0nfi54Ba+§6Kr+in這是一個核裂變過程，反應后粒子質量之和大于反應前粒子質量之和這個反應中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的質能方程來計算產生的y射線穿透能力極強答案D解析根據(jù)質量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應方程應為：292U+0n-i*%Ba+39Kr+3護，選項A不正確；鈾核裂變過程中發(fā)生質量虧損，釋放的能量可根據(jù)愛因斯坦的質能方程計算，選項B、C不正確；核反應中產生的Y射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確.目前核電站獲取核能的基本核反應方程可能是（）292U—2?0Th+4He292U+0nf30Sr+i?6Xe+10^?4Na—i2Mg+_oe17N+2^—17O+1H答案B解析現(xiàn)在的核電站用的是裂變反應獲取能量，A是a衰變，故A錯誤；B是裂變反應，故B正確；C是卩衰變，故C錯誤；D是發(fā)現(xiàn)質子的反應，故D錯誤.在核反應方程292U+0n~90Sr+156Xe+kX中（）A.X是中子，k=9B.X是中子，k=10C.X是質子，k=9D.X是質子，k=10答案B解析核反應方程應遵循電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒，在題目所給核反應方程中，設X的質子數(shù)為X，則核反應方程的左邊總質子數(shù)為92+0=92,右邊總質子數(shù)為38+54+X二92,解得x=0,故X的質子數(shù)為0,所以X為中子，左邊總質量數(shù)為235+1=236，右邊總質量數(shù)為90+136+^X1=236，解得K二10.考點二核電站5．核反應堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應的一種裝置，它的主要組成部分是（）燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調節(jié)系統(tǒng)燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)燃料、調速劑、碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng)燃料、中子源、原子能聚存和輸送系統(tǒng)答案A解析核反應堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②減速劑，采用石墨、重水或普通水；③控制調節(jié)系統(tǒng)，用控制棒控制鏈式反應的速度；④冷卻系統(tǒng)，水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，故A正確，B、C、D錯誤.6．（多選）為使鏈式反應平穩(wěn)進行，可采用下列辦法中的（）鈾塊可制成任何體積鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核通過慢化劑使產生的中子減速用鎘棒作為控制棒，控制反應的劇烈程度，使反應平穩(wěn)進行答案CD解析鈾塊小于臨界體積將不會發(fā)生鏈式反應，A錯誤；中子的速度不能太快，否則會與鈾核“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變，B錯誤；鎘棒吸收中子，控制反應劇烈程度，使反應平穩(wěn)進行，D正確；通過慢化劑使中子減速，目的是使中子更容易被鈾核俘獲，發(fā)生鏈式反應，C正確．考點三核裂變釋放核能的計算7.（多選）核電站的核能來源于295U核的裂變，下列說法中正確的是（）反應后的核廢料已不具有放射性，不需要進一步處理292U的一種可能的裂變是變成兩個中等質量的原子核，如^Xe和鏗門反應方程式為235U+0n^139Xe+35Sr+20nC.292U原子核中有92個質子、143個中子D.—個292U核裂變的質量虧損為Am=0.2155u,則釋放的核能約是201MeV答案BCD解析反應后的核廢料仍然具有放射性，需要進一步處理，故A錯誤；核反應方程遵循電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，可判斷B正確；92為U元素的質子數(shù)，中子數(shù)為：235-92二143，故C正確；根據(jù)質能方程與質量虧損可知，裂變時釋放的能量是AE二Am?C2=0.2155X931.5MeV~201MeV，故D正確.—個鈾235吸收一個中子發(fā)生核反應時大約放出196MeV的能量，則1g純235U完全發(fā)生核反應時放出的能量為（NA為阿伏伽德羅常量）（）A.NaX196MeVB235NaX196MeVC.235X196MeVD.235X196MeV答案D解析由于1mol的鈾核質量為235g,1g鈾235的摩爾數(shù)為擊，因此1g純2扒完全發(fā)生核反應時釋放的能量E=235X196MeV，故D正確.一個鈾235吸收一個中子發(fā)生核反應的方程是2j5U+0nf^Xe+^Sr+qn，放出的能量為AE,鈾235核的質量為M,中子的質量為m,氙136核的質量為％],鍶90核的質量為m2，真空中光速為c,則釋放的能量AE等于（）A.（M—m1~m2）c2B.（M+m—m1~m2）c2C.（M—m1—m2—9m）c2D.（m1+m2+9m—M）c2答案C解析鈾235裂變時的質量虧損Am=M+m-m1-m2-10m二M-m1-m2-9m,由質能方程可得AE二Amc2—（M-m1-m^-9m）c2，選項C正確.三能力綜合練（多選）（2021.虎林高級中學高二月考）用中子轟擊292U原子核產生裂變反應，其中一種可能的裂變方程為23刃+護一144Ba+89Kr+30n,2?刃、0口、^Ba、§6心的質量分別為m.m2、m3、m4,235U原子核的半衰期為T]/2，其比結合能小于154Ba原子核的比結合能，光在真空中的傳播速度為c,下列敘述正確的是（）^gBa原子核比292U原子核更穩(wěn)定^Ba原子核中含有56個中子C.裂變時釋放的能量為(％］—2m2—m3—m4)c2D?若提高292U的溫度，235U的半衰期將會小于t1/2答案AC解析比結合能的大小反映原子核的穩(wěn)定程度，35U原子核的比結合能小于i54Ba原子核的比結合能，所以i44Ba原子核比2邀U原子核更穩(wěn)定，攵A正確；由原子核的組成特點可知，446Ba原子核中含有56個質子，中子數(shù)為：144-56=88,故B錯誤；由于核裂變的過程中釋放能量，根據(jù)愛因斯坦質能方程得：AE二Amc2—(m-2加2-m3-%4)C2，故C正確；放射性兀素的半衰期由原子核本身決定，與環(huán)境的溫度、壓強等無關，故D錯誤.11.現(xiàn)有的核電站常用的核反應之一是：2?2U+0nfi43)Nd+Zr+3i)n+8_0e+v核反應方程中的V是反中微子，它不帶電，質量數(shù)為零，試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質量數(shù)；已知鈾核的質量為235.0439u,中子的質量為1.0087u,