人教版物理（中職）類 7.2 核能 核技術(shù) 教案（表格式）

課題第七章核能及應(yīng)用第二節(jié)核能核技術(shù)1課時(shí)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解重核裂變和輕核聚變；2.了解核電站的工作原理；3.了解人類研究受控核聚變的進(jìn)展情況。能力目標(biāo)1.通過(guò)對(duì)核技術(shù)的學(xué)習(xí)，了解核能發(fā)電的方法；2.通過(guò)對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)，提高分析核能利用等問(wèn)題的能力；3.通過(guò)對(duì)裂變和聚變的學(xué)習(xí)，能領(lǐng)會(huì)核能對(duì)國(guó)家安全的重大意義。情感目標(biāo)1.通過(guò)對(duì)核發(fā)電技術(shù)的學(xué)習(xí)，了解發(fā)展核電對(duì)人類能源和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的意義；2.通過(guò)對(duì)我國(guó)在核技術(shù)研究領(lǐng)域所取得的成就的了解，增強(qiáng)民族自豪感。重點(diǎn)重核裂變和輕核聚變；核電站的工作原理難點(diǎn)質(zhì)量虧損教具多媒體展示系統(tǒng)主要教學(xué)過(guò)程學(xué)生活動(dòng)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)一、引入課題用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-12。提問(wèn)：按照我國(guó)的《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，全國(guó)要建成核電機(jī)組為4000萬(wàn)千瓦的核電站，裝機(jī)容量占電力總裝機(jī)容量的比例將達(dá)到4％，如圖所示為正在建設(shè)中的紅沿河核電站的規(guī)劃效果圖。我國(guó)為什么要加強(qiáng)核電站的建設(shè)呢？（一般情況下，學(xué)生回答不出來(lái)或回答不準(zhǔn)確）引入課題：要想了解上面的問(wèn)題，我們就要學(xué)習(xí)今天的課程——第二節(jié)核能核技術(shù)。二、重核裂變1939年12月，德國(guó)物理學(xué)家哈恩（1879－1968）和他的助手斯特拉斯曼（1902－1980）發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊元素周期表中的第92號(hào)元素鈾時(shí)，鈾核發(fā)生了分裂，變成了鋇、鑭等一些中等質(zhì)量的原子核。后來(lái)科學(xué)家們把這種重原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量原子核的過(guò)程，叫作重核裂變。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一些核反應(yīng)后的生成物的總質(zhì)量比反應(yīng)前的反應(yīng)物的總質(zhì)量減少，這種現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損。愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系。重核裂變時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，必然要放出能量。我們把這種在核反應(yīng)中放出的能量叫作核能。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果1kg鈾全部裂變放出的核能相當(dāng)于2500t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒釋放的化學(xué)能。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-13。由于一般情況下，鈾核裂變時(shí)總要釋放出2～3個(gè)中子，這些中子又會(huì)引起其他鈾核的裂變，這樣，裂變反應(yīng)就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來(lái)越多的能量，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，如圖所示。鈾塊的體積對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是一個(gè)重要因素。因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，可能還沒(méi)有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫作臨界體積。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-14。如果鈾的體積超過(guò)了臨界體積，只要有中子進(jìn)入鈾塊，會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在不到百萬(wàn)分之一秒內(nèi)就會(huì)釋放出驚人的核能，形成劇烈的爆炸。這就是原子彈的原理。如圖所示為我國(guó)第一顆原子彈于在西部地區(qū)爆炸成功。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-15。原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無(wú)法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來(lái)，人們制成了核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆用濃縮鈾作為核燃料，用石墨、重水或普通水作為中子的減速劑，用易于吸收中子的金屬鎘制成控制棒，控制裂變反應(yīng)速度，反應(yīng)堆的示意圖如圖所示。當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，反應(yīng)速度就會(huì)慢下來(lái)。用計(jì)算機(jī)自動(dòng)地調(diào)節(jié)鎘棒的升降，就能使反應(yīng)堆保持一定的功率安全地工作。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-16。反應(yīng)堆工作時(shí)，核燃料裂變釋放出的核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，使反應(yīng)堆的溫度升高。為了控制反應(yīng)堆的溫度，使它能正常工作，需要用水等流體作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，不斷地帶走熱力學(xué)能。這些熱力學(xué)能將水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽又推?dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。核電站的工作原理示意圖如圖所示。為了防止鈾核裂變過(guò)程中放出的各種射線對(duì)人體的危害，在反應(yīng)堆的外面要修建很厚的水泥防護(hù)層，用來(lái)屏蔽射線，不讓它們透射出來(lái)。對(duì)放射性的核廢料，要裝入特制的容器，埋入地層深處。核電站消耗的燃料很少，一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站，每年只消耗30噸左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要消耗250萬(wàn)噸左右的煤。因此，與火電相比，核電是一種技術(shù)成熟的清潔能源，對(duì)環(huán)境的污染微乎其微。以核電替代部分煤電，不但可以減少煤炭的開(kāi)采、運(yùn)輸和燃燒總量，而且是電力工業(yè)減排污染物的有效途徑，也是減緩地球溫室效應(yīng)的重要措施。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-17。目前，我國(guó)共有浙江秦山核電站、廣東大亞灣核電站、浙江秦山二期核電站及擴(kuò)建工程、廣東嶺澳核電站、浙江秦山三期核電站、江蘇田灣核電站、廣東嶺澳二期核電站、遼寧紅沿河核電站8座核電站，15臺(tái)核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1357萬(wàn)千瓦，核電發(fā)電量（2013年4月）占全國(guó)總發(fā)電量的1.3％，一些新的核電站(浙江三門(mén)、山東海陽(yáng)、廣東陽(yáng)江、福建寧德等)正在建設(shè)中。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)還將建設(shè)30臺(tái)以上的百萬(wàn)級(jí)核電機(jī)組，核電裝機(jī)容量將達(dá)到5800萬(wàn)千瓦，核電在全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量中的比例將占到5%。圖7-17為我國(guó)江蘇田灣核電站一景。三、輕核聚變還有另外一種生產(chǎn)核能的方法，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí)，能釋放出比裂變更多的能量，這樣的反應(yīng)叫作聚變。例如，一個(gè)氘核和一個(gè)氚核結(jié)合，聚變成一個(gè)氦核（同時(shí)放出一個(gè)中子）時(shí)，平均每個(gè)核子放出的能量比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量要大3～4倍。使輕核發(fā)生聚變，必須使它們之間的距離小于10－10m。由于原子核都是帶正電的，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的電磁力。這就要使原子核具有很大的動(dòng)能。用什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生聚變呢？有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當(dāng)物質(zhì)達(dá)到一千萬(wàn)度以上的高溫時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服相互間的電磁力，在碰撞時(shí)發(fā)生聚變。因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。用多媒體展示系統(tǒng)展示教材圖7-18。人們利用輕核聚變制造出了比原子彈威力更大的核武器——?dú)鋸?。氫彈是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫來(lái)引起熱核反應(yīng)的，其威力往往相當(dāng)于數(shù)百個(gè)原子彈。如圖所示為我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功的情景。熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的。太陽(yáng)內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部的溫度高達(dá)一千萬(wàn)攝氏度以上，熱核反應(yīng)在那里激烈地進(jìn)行著。太陽(yáng)每秒鐘輻射出來(lái)的能量約為3.8×1026J核聚變能釋放出巨大的能量，但目前人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實(shí)現(xiàn)非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產(chǎn)生的巨大能量為人類服務(wù)，就必須使核聚變?cè)谌藗兊目刂葡逻M(jìn)行，這就是受控核聚變。實(shí)現(xiàn)受控核聚變具有極其誘人的前景。相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來(lái)放射性污染等環(huán)境問(wèn)題，而且核聚變所需的原料——?dú)涞耐凰仉梢詮暮Ｋ刑崛?。?jīng)過(guò)計(jì)算，1L海水中提取出的氘進(jìn)行核聚變放出的能量相當(dāng)于300L汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是取之不盡的，因此受控核聚變的研究成功將使人類擺脫能源危機(jī)的困擾。但是人們現(xiàn)在還不能進(jìn)行受控核聚變，這主要是因?yàn)檫M(jìn)行核聚變需要的條件非常苛刻。發(fā)生核聚變需要在一千萬(wàn)攝氏度的高溫下才能進(jìn)行，可以想象，沒(méi)有什么材料能經(jīng)受得起一千萬(wàn)攝氏度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。盡管存在著許多困難，人們經(jīng)過(guò)不斷研究已取得了可喜的進(jìn)展?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了許多巧妙的方法，如用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束反應(yīng)，用強(qiáng)大的激光來(lái)加熱原子等?？梢灶A(yù)計(jì)，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變?yōu)槿祟惙?wù)。學(xué)生觀看學(xué)生思考并回答板書(shū)板書(shū)板書(shū)板書(shū)板書(shū)學(xué)生觀看板書(shū)板書(shū)學(xué)生觀看可以播放一些原子彈爆炸的視頻學(xué)生觀看學(xué)生觀看核電的優(yōu)點(diǎn)學(xué)生觀看我國(guó)核電發(fā)展及前景板書(shū)板書(shū)板書(shū)學(xué)生觀看受控核聚變的誘人前景受控核聚變目前的困難小結(jié)核能核技術(shù)1．重核裂變重原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量原子核的過(guò)程，叫作重核裂變。一些核反應(yīng)后的生成物的總質(zhì)量比反應(yīng)前的反應(yīng)物的總質(zhì)量減少，這種現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損。愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系。重核裂變時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，必然要放出能量。我們把這種在核反應(yīng)中放出的能量叫作核能。為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來(lái)，人們制成了核反應(yīng)堆。核電是一種技術(shù)成熟的清潔能源，對(duì)環(huán)境的污染微乎其微。2．輕核聚變當(dāng)把某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí)，能釋放出比裂變更多的能量，這樣的反應(yīng)叫作聚變。聚變反應(yīng)需要很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)?？茖W(xué)家們正想盡辦法要掌握控制核聚變的方法，讓核聚變?yōu)槿祟惙?wù)?；仡櫛竟?jié)知識(shí)。隨堂練習(xí)練習(xí)7-21．答核電站只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，每千瓦·時(shí)電能的成本比火電站要低20%以上。核電站還可以大大減少燃料的運(yùn)輸量。例如，一座100萬(wàn)千瓦的火電站每年耗煤三四百萬(wàn)噸，而相同功率的核電站每年僅需鈾燃料三四十噸。核電的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是干凈、無(wú)污染，幾乎是零排放，對(duì)于發(fā)展迅速環(huán)境壓力較大的中國(guó)來(lái)說(shuō)，再合適不過(guò)。2．參考答案核廢料可分為低放射性廢料與高放射性廢料兩種。低放射性核廢料是指醫(yī)院、工廠、研究機(jī)構(gòu)以及核電廠等產(chǎn)生包含放射性物質(zhì)的廢棄物，如衣物、紙類、試驗(yàn)器具等。高放射性核廢料則主要來(lái)自使用過(guò)的核燃料。其中鈾235約占3%，其余97%主要為鈾238以及钚，這些鈾238及钚都是未來(lái)可回收利用的資源。核廢料都可能導(dǎo)致放射性污染，危害人類健康。低放射性核廢料處理起來(lái)較為簡(jiǎn)單，主要是經(jīng)過(guò)焚化壓縮固化后，裝進(jìn)大型金屬罐，以便在淺地層中掩埋。目前，國(guó)際上處理高放射性核廢料的方式主要有“再處理”和“直接處置”兩種選擇。“再處理”主要是從核廢料中回收可進(jìn)行再利用的核原料，包括提取可制造