2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理選擇性必修3 第5章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變(3)課件

知識(shí)回顧＋＋衰變?nèi)斯まD(zhuǎn)變導(dǎo)入新課核電站中的核反應(yīng)堆秦山核電站想了解它們嗎？Letusgo?。?！核裂變裂變反應(yīng)堆和裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

通過前面的學(xué)習(xí),核反應(yīng)中有些可以釋放出能量,有些要吸收能量,什么樣的核反應(yīng)會(huì)放出能量呢？想一想

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn),不僅核子結(jié)合成原子時(shí)核時(shí)有質(zhì)量虧損,會(huì)放出核能,有些重核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)也會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損,同時(shí)放出巨大的核能.想一想想一想,這又是為什么呢？生成物反應(yīng)物核反應(yīng)示意圖核子數(shù)核子數(shù)＝核子的平均質(zhì)量原子核質(zhì)量核子數(shù)＝

精確的研究表明,原子核的質(zhì)量雖然隨著原子序數(shù)Z的增大而增大,但是二者之間并不成正比關(guān)系.人們發(fā)現(xiàn),不同的原子核,其核子的平均質(zhì)量（原子核的質(zhì)量）如下頁(yè)的圖.

從圖中可以看出,鐵原子核中原子的平均質(zhì)量最小.如果原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)小小一些的核B和C,或者原子序數(shù)很小的輕核D、E結(jié)合成一個(gè)原子序數(shù)大些的F核,都會(huì)有質(zhì)量虧損,都會(huì)放出巨大的核能.核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系EDCBFAFeOZ

重核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí),釋放出核能的反應(yīng)稱為核裂變（nuclearfission）.名詞解釋

由于重核的不穩(wěn)定性,有的重核會(huì)發(fā)生自發(fā)裂變,但這種裂變中核能釋放的過程進(jìn)行得極其緩慢,功率很小.

例如,在自發(fā)裂變情況下,1g鈾238要經(jīng)過45億年才剩下0.5g,再經(jīng)過45億年剩下0.25g……如此緩慢地釋放何能是毫無(wú)價(jià)值的.想一想怎樣讓釋放的核能有價(jià)值呢？1939年12月,德國(guó)科學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn),用中子轟擊鈾核時(shí),鈾核發(fā)生了裂變.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的,一種典型的反應(yīng)是裂變成鋇和氪,同時(shí)放出三個(gè)中子.核反應(yīng)方程為：哈恩鈾235的裂變

裂變時(shí)會(huì)釋放出巨大的核能.在上述裂變的前后的質(zhì)量虧損為△m=0.358×10-27kg釋放的核能為△E=△m·c2=201MeV

鈾核裂變的產(chǎn)物不同,釋放的能量也不同.一般說(shuō)來(lái),鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV.

可以估計(jì),如果1kg鈾全部裂變,它放出的能量約為2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量.

一般說(shuō)來(lái),鈾核裂變時(shí)總要釋放出2～3個(gè)中子,這些中子又引起其他的鈾核裂變并釋放更多的中子,這樣裂變就會(huì)自動(dòng)的不斷進(jìn)行下去,釋放出越來(lái)越多的能量,這一過程稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（chainreaction）.中子中子鈾235裂變

如果不對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行控制,雪崩式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)在瞬間發(fā)生,數(shù)量巨大的鈾核在不到百萬(wàn)分之一秒內(nèi)全部全部裂變會(huì)放出驚人的能量,并形成劇烈爆炸.原子彈原理原子彈爆炸原子彈核反應(yīng)堆

怎樣想辦法讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中釋放的巨大能量為我們所用而又不引發(fā)爆炸呢？想一想

我們應(yīng)該讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的核能穩(wěn)定釋放,必須控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的速度.

核反應(yīng)堆（nuclearreactor）是一種實(shí)現(xiàn)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置,它可以使堆內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以一定的強(qiáng)度進(jìn)行下去,從而穩(wěn)定的釋放核能.1945年,世界上那個(gè)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)核反應(yīng)堆建成.

核反應(yīng)堆的類型多種多樣,根據(jù)反應(yīng)堆的工作原理,主要分為以下兩類：慢中子反應(yīng)堆目前廣泛應(yīng)用的實(shí)用核反應(yīng)堆快中子增殖反應(yīng)堆目前正在研究和試驗(yàn)的核反應(yīng)堆①慢中子反應(yīng)堆

堆中的核反應(yīng)主要是鈾235吸收慢中子后發(fā)生的裂變.

第一,鈾裂變時(shí)產(chǎn)生的中子大都為快中子,而鈾235易俘獲慢中子而不易俘獲快中子.因此,需用慢化劑使裂變中放出的快中子減速,成為可以誘發(fā)鈾235裂變的慢中子（又稱熱中子）,從而維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng).常用的減速劑有輕水（普通水）、重水或石墨.根據(jù)所用慢化劑的不同.反應(yīng)堆可以分為輕水堆、重水堆、石墨堆等.

反應(yīng)堆主要通過以下兩個(gè)方面來(lái)控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng).

第二,用吸收中子能力很強(qiáng)的鎘做成控制棒,將它們插入鈾棒之間.用控制棒調(diào)節(jié)反應(yīng)堆中的中子數(shù)目,從而控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度,使反應(yīng)既不會(huì)過分劇烈,又能以一定強(qiáng)度進(jìn)行下去.

反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)的冷卻劑將裂變產(chǎn)生的熱傳輸出去.常用的冷卻劑有輕水、重水和液態(tài)金屬鈉.

用普通水做慢化劑和冷卻劑的輕水堆又分為沸水堆和壓水堆.慢中子反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)示意圖水泥防護(hù)層控制棒——鎘棒燃料棒——鈾棒減速劑堆芯由燃料棒、控制棒和慢化劑組成反射層把外逸的中子反射回堆層水泥防護(hù)層屏蔽堆中放出的各種射線注意a建造核反應(yīng)堆時(shí)要特別注意的問題是防止放射線和放射性物質(zhì)的泄露,以傷害人體、污染環(huán)境.b核反應(yīng)堆中使用過的核廢料仍然具有很強(qiáng)的放射性,必須裝入特制的容器,深埋地下.②快中子增殖反應(yīng)堆為了更充分的利用天然鈾資源.目的每“燒”掉一個(gè)裂變核可以產(chǎn)生一個(gè)以上的新的燃料核.特點(diǎn)核裂變中產(chǎn)生的快中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)被鈾238吸收變成鈾239兩次β衰變變成钚239

钚239也是一種可裂變的核燃料.在快中子增殖反應(yīng)堆中,钚239產(chǎn)生的速度大于鈾235消耗的速度,結(jié)果核燃料中可裂變產(chǎn)物會(huì)越來(lái)越多,由此將天然鈾資源的利用率提高到60%～70%.相當(dāng)于可利用的天然鈾資源增加了60～70倍.

還可以用釷232代替上述的鈾238經(jīng)歷同樣反應(yīng)后變?yōu)殁?33.

鈾233也是一種可裂變的核燃料.快中子增殖反應(yīng)堆可以利用除鈾以外的釷燃料和其他反應(yīng)堆中用過的核廢料.核電站熱交換器蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)蒸汽冷凝器水泵泵冷卻劑水泥防護(hù)層

原子反應(yīng)堆核電站原理示意圖

在第一循環(huán)回路中,高壓和高溫的水霸堆芯的熱量傳到蒸汽發(fā)生器中,使第二循環(huán)回路中的水汽化.高壓水蒸氣再推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電,這部分與火力發(fā)電廠基本相同.

核電站消耗的核燃料很少,一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站,每年只消耗約30t濃縮鈾,而同樣功率的火電站,每年只消耗約2.5×106t煤.優(yōu)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)效益方面,不在火電站之下.對(duì)環(huán)境的污染比火電站小.課堂小結(jié)1、裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)⑴重核分裂成中等質(zhì)量的核,釋放出核能的反應(yīng)稱為核裂變.⑵⑶理解鏈?zhǔn)椒磻?yīng).2、核反應(yīng)堆⑴核反應(yīng)堆是一種可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置.3、核電站⑴核電站利用核能發(fā)電,其核心設(shè)施為核反應(yīng)堆.⑵與火電站相比,對(duì)環(huán)境污染小.⑵根據(jù)工作原理,核反應(yīng)堆可分為慢中子反應(yīng)堆和快中子增殖反應(yīng)堆.高考鏈接1.一個(gè)原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng),其裂變方程為如下,則下列敘述正確的是（）D．因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量,出現(xiàn)質(zhì)量虧損,所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少C．因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量,根據(jù)E=mc2,所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加B．X原子核中含有141個(gè)核子

A．X原子核中含有86個(gè)中子A2.某原子核吸收一個(gè)中子后,放出一個(gè)電子,分裂為兩個(gè)α粒子.由此可知()D.A=8,Z=4C.A=8,Z=3B.A=7,Z=4A.A=7,Z=3XAZ點(diǎn)撥

裂變前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,故CD錯(cuò).X的質(zhì)子數(shù)為54,質(zhì)量數(shù)為140,則中子數(shù)為86,故B錯(cuò)A對(duì).A點(diǎn)撥裂變前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒.3.目前核電站利用的核反應(yīng)是()D．聚變,核燃料為氘C．裂變,核燃燒為氘B．聚變,核燃燒為鈾

A．裂變,核燃料為鈾A點(diǎn)撥

要熟練掌握課本知識(shí).1、下列核反應(yīng)中,表示核裂變的是（）A.B.C.D.課堂練習(xí)C點(diǎn)撥A為α衰變,B為β衰變,C為重核裂變,D為人工轉(zhuǎn)變.2、關(guān)于鈾核裂變,下列說(shuō)法正確的是（）A.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的,但只能裂變成兩種不同的核B.鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2～3個(gè)中子C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行,最好用純鈾235D.鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響點(diǎn)撥

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生條是鈾塊體積大于臨界體積.BC3、秦山核電站第一期工程裝機(jī)容量為30萬(wàn)kW,如果1g鈾235完全裂變時(shí)產(chǎn)生的能量為8.2×1010J,并且假定產(chǎn)生的能量都變成了電能,那么,每年要消耗多少鈾235?（一年按365天計(jì)算）W=Pt=3×108×24×3600J=2.592×1013J.點(diǎn)撥每年的發(fā)電量W總=365W=9.46×1015J而1g鈾完全裂變時(shí)產(chǎn)生的能量8.2×1010J . 所以,每年消耗的鈾的量為m＝9.46×10158.2×1010Kg＝1.15×102解：核電站每天的發(fā)電量為教材習(xí)題答案

控制棒作用：控制棒由吸收能力很強(qiáng)的金屬鎘制成,將它插在鈾棒之間,可調(diào)節(jié)反應(yīng)堆中的中子數(shù)目,從而控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)快慢,使反應(yīng)既不過分劇烈,又能按一定強(qiáng)度反應(yīng)下去.1.慢化劑作用：裂變時(shí)產(chǎn)生的中子大都是快中子,慢化劑使他們減速,成為可誘發(fā)鈾235裂變的慢中子,從而維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng).