第五章　4　核裂變與核聚變

4核裂變與核聚變［學(xué)習(xí)目標(biāo)］1.知道什么是核裂變、核聚變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和核聚變的條件(重點(diǎn))。2.會書寫核裂變和核聚變方程，會利用質(zhì)量虧損計(jì)算核裂變和核聚變產(chǎn)生的核能(重難點(diǎn))。3.了解核反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當(dāng)于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時(shí)安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1600m范圍內(nèi)所有動植物全部死亡。巨大的核能是從哪里來的？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.核裂變：鈾核在被轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)定名為核裂變。

2.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是92235U+01n→56144Ba3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子轟擊重核發(fā)生裂變后，裂變釋放的中子繼續(xù)與其他重核發(fā)生反應(yīng)，引起新的核裂變，使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，這樣的過程叫作核裂變的反應(yīng)。

4.臨界體積和臨界質(zhì)量：核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生反應(yīng)的體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。

5.核裂變的能量：重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核、發(fā)生質(zhì)量虧損，所以能量。

如圖所示為核裂變示意圖。(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例1(2023·宜賓市模擬)鈾核(92235U)是核反應(yīng)主要原料之一，其中一種核反應(yīng)方程為92235U+01n→54136XeA.該核反應(yīng)是重核裂變反應(yīng)，其中K是中子B.該核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性可以通過人工手段去消除C.該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和等于核反應(yīng)前反應(yīng)物的結(jié)合能之和D.核反應(yīng)時(shí)釋放能量，根據(jù)E=mc2，核反應(yīng)后的總質(zhì)量數(shù)減少1.重核裂變是中子轟擊質(zhì)量較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。2.重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能小。所以在重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。例2若92235U俘獲一個(gè)中子裂變成3890Sr及54136Xe兩種新核，且三種原子核的質(zhì)量分別為235.0439u、89.9077u和135.9072u，中子質(zhì)量為1.0087u。(1u相當(dāng)于931(1)寫出鈾核裂變的核反應(yīng)方程；(2)求一個(gè)92235U俘獲一個(gè)中子發(fā)生上述裂變所釋放的能量。(結(jié)果保留2________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________二、反應(yīng)堆與核電站1.核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是，它的主要組成部分：

組成部分材料作用裂變材料(核燃料)(濃縮鈾)

提供核燃料減速劑(慢化劑)、或普通水(也叫輕水)

使裂變產(chǎn)生的快中子減速控制棒

吸收中子，控制反應(yīng)速度熱交換器或液

態(tài)的

傳輸熱量防護(hù)層厚層

防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害2.工作原理(1)核燃料發(fā)生釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。

(2)能量輸出：水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外，把反應(yīng)堆內(nèi)的傳輸出去，用于，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。

3.核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的，需要裝入特制的容器，。

例3如圖為普通核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)示意圖，通過鈾235鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能的可控釋放。下列關(guān)于核反應(yīng)堆工作中的說法正確的是()A.正常運(yùn)行的反應(yīng)堆，水泥防護(hù)層外能檢測到大量α粒子B.中子速度越快越容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.通過改變鎘棒的插入深度來控制反應(yīng)速度D.鈾核裂變時(shí)釋放能量的多少與生成物種類無關(guān)三、核聚變1.定義：兩個(gè)結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。

2.核反應(yīng)方程(舉例)：12H+13.條件：使輕核的距離達(dá)到m以內(nèi)。

方法：需要加熱到很高的，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。

4.宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內(nèi)部的氫核成氦核釋放的能。

5.人工熱核反應(yīng)的應(yīng)用——?dú)鋸椩恚菏紫扔苫瘜W(xué)炸藥引爆，再由爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。

6.核聚變與核裂變的比較(1)優(yōu)點(diǎn)：①輕核聚變產(chǎn)能；②地球上核聚變?nèi)剂想畠α浚翱衫娩噥碇迫?，足以滿足核聚變的需要；③輕核聚變更為安全、清潔。

(2)缺點(diǎn)：核聚變需要的溫度太，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。

例4(2024·南京市高二月考)2023年4月12日，中國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)創(chuàng)造了新的紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒。其運(yùn)行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過某種方法產(chǎn)生等離子體，等離子體滿足一定條件就會發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生巨大的能量。關(guān)于氫的同位素氘或氚的核聚變，其核反應(yīng)方程為12H+13H→24He+X+17.6MeV，光速c=3.0×108m/sA.13H的比結(jié)合能大于B.粒子X具有較強(qiáng)的電離能力C.一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生核聚變，虧損的質(zhì)量約為3.1×10-29kgD.提升等離子體的密度，在常溫常壓下也能發(fā)生聚變反應(yīng)答案精析一、鈾核的裂變。梳理與總結(jié)1.中子2.3013.鏈?zhǔn)?.鏈?zhǔn)阶钚?.放出思考與討論(1)重核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，所以重核裂變不是一種天然現(xiàn)象。(2)不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于或等于臨界體積，才會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。例1A［根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得，K的質(zhì)子數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，則K是中子，故A正確；放射性物質(zhì)的半衰期非常穩(wěn)定，不會隨著外界環(huán)境改變而改變，因此不可以通過人工手段消除，故B錯(cuò)誤；由于該反應(yīng)為放能反應(yīng)，釋放核能后結(jié)合能增大，因此該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和大于核反應(yīng)前反應(yīng)物的結(jié)合能之和，故C錯(cuò)誤；核反應(yīng)時(shí)釋放能量，總質(zhì)量減小，而總質(zhì)量數(shù)保持不變，故D錯(cuò)誤。］例2(1)92235U+01n→38(2)1.4×102MeV解析(1)根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒有92235U+01n→3890(2)該核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為Δm=(235.0439+1.0087)u-(89.9077+135.9072+10×1.0087)u=0.1507u；釋放的能量為ΔE=Δm×931.5MeV≈1.4×102MeV。二、1.反應(yīng)堆鈾棒石墨重水鎘棒水金屬鈉水泥2.(1)核裂變(2)循環(huán)流動熱量發(fā)電3.水泥層放射性深埋地下例3C［正常運(yùn)行的核反應(yīng)堆主要的輻射有γ輻射和中子輻射，所以水泥防護(hù)層外不可能檢測到大量α粒子，故A錯(cuò)誤；中子速度越快越不容易使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，故B錯(cuò)誤；利用鎘棒對中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過改變鎘棒的插入深度，從而改變中子的數(shù)量來控制反應(yīng)速度，故C正確；核裂變釋放的能量與反應(yīng)前后質(zhì)量虧損有關(guān)，鈾核裂變時(shí)會因產(chǎn)物種類不同導(dǎo)致質(zhì)量虧損不同，釋放能量不同，故D錯(cuò)誤。］三、1.輕核3.10-15溫度4.聚變核5.原子彈原子彈