第五章　4　核裂變與核聚變

DIWUZHANG第五章4核裂變與核聚變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(huì)書(shū)寫(xiě)核裂變和核聚變方程，會(huì)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。

學(xué)習(xí)目標(biāo)一、核裂變的發(fā)現(xiàn)二、反應(yīng)堆與核電站課時(shí)對(duì)點(diǎn)練三、核聚變

內(nèi)容索引核裂變的發(fā)現(xiàn)一1964年10月16日，中國(guó)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(wàn)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(dòng)植物全部死亡。巨大的核能是從哪里來(lái)的？答案鈾核的裂變。

梳理與總結(jié)中子

鏈?zhǔn)?.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。梳理與總結(jié)鏈?zhǔn)阶钚》懦鋈鐖D所示為核裂變示意圖。思考與討論答案

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。(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？答案

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(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

例1√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(huì)隨著外界環(huán)境改變而改變，因此不可以通過(guò)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?？偨Y(jié)提升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(guò)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(guò)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

答案

1.4×102MeV該核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為Δm=(235.043

9+1.008

7)u-(89.907

7+135.907

2+10×1.008

7)u=0.150

7

u；釋放的能量為ΔE=Δm×931.5

MeV≈1.4×102

MeV。返回反應(yīng)堆與核電站二1.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：反應(yīng)堆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(duì)人體及其他生物體造成傷害鈾棒石墨重水鎘棒水金屬鈉水泥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(lái)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，

。核裂變循環(huán)流動(dòng)熱量發(fā)電水泥層放射性深埋地下

如圖為普通核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)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(shuō)法正確的是例3A.正常運(yùn)行的反應(yīng)堆，水泥防護(hù)層外能檢測(cè)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(guò)改變鎘棒的插入深度來(lái)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(wú)關(guān)√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(cè)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(duì)中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)改變鎘棒的插入深度，從而改變中子的數(shù)量來(lái)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(huì)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。返回核聚變?nèi)?/p>

輕核10-15溫度聚變核原子彈原子彈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?chǔ)量

，而氚可利用鋰來(lái)制取，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(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。效率高豐富高

例4√

返回課時(shí)對(duì)點(diǎn)練四考點(diǎn)一重核的裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B.中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D.由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核

裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能123456789101112基礎(chǔ)對(duì)點(diǎn)練√123456789101112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(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，故選D。

123456789101112√

123456789101112√123456789101112

考點(diǎn)二反應(yīng)堆與核電站4.核反應(yīng)堆不銹鋼外殼內(nèi)除核燃料棒和控制棒以外還通入水，這些水除了起冷卻作用外還起了A.使中子減速的作用B.使中子加速的作用C.吸收放射性物質(zhì)的作用D.吸收反應(yīng)發(fā)出的射線的作用123456789101112√

123456789101112√123456789101112

123456789101112√123456789101112

7.(2023·莆田市高二月考)2021年5月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。下列關(guān)于聚變的說(shuō)法正確的是A.任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變B.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的平均結(jié)合能減小D.核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式123456789101112√123456789101112只有兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核才可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核，并不是任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變，A錯(cuò)誤；核聚變反應(yīng)會(huì)放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能方程可知反應(yīng)會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小，平均結(jié)合能增大，B正確，C錯(cuò)誤；核聚變的最終產(chǎn)物是氦，無(wú)污染，而核裂變產(chǎn)生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯(cuò)誤。

123456789101112√123456789101112在核反應(yīng)中，反應(yīng)前物質(zhì)的質(zhì)量m1=2×2.013

6

u=4.027

2

u反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量m2=3.015

0

u+1.008

7

u=4.023

7

u質(zhì)量虧損Δm=m1-m2=0.003

5

u，則氘核聚變釋放的核能為E=931×0.003

5

MeV≈3.3

MeV，故選B。

123456789101112能力綜合練

√123456789101112

123456789101112√123456789101112

123456789101112答案

200.6MeV裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為Δm=(235.043

9+1.008

7-140.913

9-91.897

3-3×1.008

7)u=0.215

3

u一個(gè)鈾235原子核裂變后釋放的能量為ΔE=0.215

3×931.5

MeV≈200.6

MeV。(2)1kg鈾235原子核發(fā)生上述裂變時(shí)能放出多少核能？這相當(dāng)于完全燃燒多少噸(t)煤釋放的能量(NA=6.02×1023mol-1，1eV=1.6×10-19J，煤的熱值為2.94×107J/kg)？123456789101112答案

5.14×1026MeV

2797.3t123456789101112

123456789101112尖子生選練

(2)求核反應(yīng)中釋放的核能(結(jié)果保留2位小數(shù))；123456789101112答案

3.26MeV核反應(yīng)中質(zhì)量虧損為Δm=2×2.013

6

u-3.015

0

u-1.008

7

u=0.003