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第4节　核裂变与核聚变
(分值：100分)
选择题1～9题，每小题8分，共72分。
对点题组练
题组一　核裂变的发现　反应堆与核电站
1.下列核反应中属于裂变反应的是(　　)
O＋n→N＋H
Si＋H→P＋n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
Ra→Rn＋He
2.据悉我国第四代反应堆核能系统—钍基熔盐堆核能系统研究已获重要突破。该系统是以钍作为核燃料，钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233。铀核U的一种典型裂变产物是氪Kr和钡Ba，同时释放出巨大能量。下列说法正确的是(　　)
钍核Th有90个中子，142个质子
钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是Th＋n→U
产生U的核反应方程是Th→U＋2e
铀核裂变反应方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n
3.核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的。反应堆的核反应方程式为U＋n→Xe＋X＋10n，其中U、n、Xe、X的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中光速为c，以下说法正确的是(　　)
X原子核中含有中子数为52
该反应质量亏损Δm＝m1－m3－m4
该反应释放的能量为(m1－10m2－m3－m4)c2
U的比结合能大于Xe的比结合能
4.(2024·湖北武汉重点高中高二下期末)我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆，是全球最小的商用核反应堆，核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n＋γ，反应产物Ba会发生β衰变。已知核U、Ba、Kr和n的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u，1 u为1.66×10－27 kg，真空中的光速c＝3×108 m/s。则下列说法正确的是 (　　)
核反应方程中的x＝57，y＝89
U核的比结合能小于Ba核的比结合能
Ba的衰变方程为Ba＋n→X＋e
一个U核裂变放出的核能约为3.2× 10－10 J
题组二　核聚变
5.(多选)下列关于核聚变的说法中，正确的是(　)
要使核聚变发生，必须克服库仑斥力做功
轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫热核反应
原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行
6.(人教版教材P125T7改编)太阳就是一个巨大的热核反应堆，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W，太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s，估算太阳每秒失去质量的数量级为(　　)
106 kg 109 kg 1012 kg 1015 kg
7.已知氘核的比结合能为1.1 MeV，氦核的比结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时(　　)
释放出4.9 MeV的能量 吸收4.9 MeV的能量
吸收24.0 MeV的能量 释放出24.0 MeV的能量
综合提升练
8.铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n，以下说法正确的是(　　)
该反应质量数守恒，没有质量亏损
U的中子数比Ba的多91个
U的比结合能比Ba的大
Ba的结合能比Kr的大
9.“嫦娥五号”在月球采集的约2千克月壤中含有地球上鲜有的He，He是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。有关He的聚变反应方程如下：
①H＋H→He＋X＋3.3 MeV；
②He＋He→He＋2Y＋12.86 MeV。
下列说法正确的是(　　)
X为质子，Y为中子
He的比结合能比He的比结合能大
方程①中，质量亏损约为5.9×10－31 kg
方程②中，每个核子平均释放的能量约为2.14 MeV
10.(10分)我国可控核聚变技术已经走在了世界前列，“东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，又被称为“人造太阳”。其原理是让海水中大量存在的氘和氚原子在高温高密度条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的能源。氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)时，要放出某种质量m＝1.008 7 u的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量m氘＝2.014 1 u，氚核质量m氚＝3.016 0 u，氦核质量m氦＝4.002 6 u，根据爱因斯坦的质能方程可知1 u相当于931.5 MeV＝1.49×10－10 J，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量M氘＝2 g·mol－1。
(1)(5分)写出该核聚变反应的核反应方程式，并计算一次核聚变反应中释放的核能(保留2位有效数字)；
(2)(5分)未来建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝5×108 W，计算理论上该发电站一年(3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。
培优加强练
11.(18分)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(1)(6分)写出这个核反应方程；
(2)(6分)这一核反应能释放多少能量？
(3)(6分)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
第4节　核裂变与核聚变
1.C　[核裂变反应是指重核在粒子的轰击后变成两个中等质量的核并释放能量的反应，O和Si都不是重核，故A、B错误；U＋n→Ba＋Kr＋3n是重核的裂变，故C正确；Ra→Rn＋He是原子核的衰变，不是裂变，故D错误。]
2.D　[钍核Th有90个质子，232－90＝142个中子，A错误；钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是Th＋n→U＋2e，故B、C错误；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为U＋n→Kr＋Ba＋3n，D正确。]
3.A　[根据质量数守恒和电荷数守恒可得X的质量数为A＝235＋1－136－10＝90，电荷数为Z＝92－54＝38，所以X的中子数为90－38＝52，故A正确；质量亏损Δm＝m1－9m2－m3－m4，根据质能方程可得释放的核能为(m1－9m2－m3－m4)c2，故B、C错误；比结合能越大原子核越稳定，由于核反应的过程中释放热量，生成物比反应物更稳定，则U的比结合能小于Xe的比结合能，故D错误。]
4.B　[根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的x＝56，y＝92，故A错误；核反应的生成物比反应物更稳定，而比结合能越大原子核越稳定，可知核的比结合能小于Ba核的比结合能，故B正确；根据题意可知，Ba会发生β衰变，因此其衰变方程为Ba→＋e，故C错误；根据爱因斯坦的质能方程有ΔE＝Δmc2＝(235.043 9 u＋1.008 7 u－140.913 9 u－91.897 3 u－3×1.008 7 u)c2，解得ΔE≈3.2×10－11 J，故D错误。]
5.ABC　[轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，故A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，故D错误。]
6.B　[由爱因斯坦质能方程E＝mc2，结合功率公式P＝，可得m＝ kg≈4.2×109 kg，B正确。]
7.D　[两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为H＋H→He＋γ，2个H的总结合能为E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV，反应后生成的氦核的结合能为E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV，所以反应过程释放的核能ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24.0 MeV，故A、B、C错误，D正确。]
8.D　[核反应中质量数守恒，但此反应释放核能，有质量亏损，故A错误；的中子数为143，的中子数为88，中子数相差55，故B错误；重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能更大，故C错误；核子数越多，结合能越大，故D正确。]
9.D　[根据质量数守恒和电荷数守恒可得，X为中子(n)，Y为质子(H)，A错误；由方程②可知，由于该核反应释放出核能，所以生成物比反应物更稳定，比结合能更大，故He的比结合能比He的比结合能大，B错误；方程②中，每个He含有三个核子，所以平均每个核子释放的能量约为E＝ MeV＝2.14 MeV，D正确；根据质能方程ΔE＝Δmc2可得，方程①中质量亏损Δm＝＝ kg＝5.9×10－30 kg，C错误。]
10.(1)H＋H→He＋n　2.8×10－12 J　(2)18.75 kg
解析　(1)该核反应方程式为H＋H→He＋n
反应中的质量亏损为
Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)＝0.018 8 u
则ΔE＝0.018 8×1.49×10－10 J＝2.8×10－12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E＝Pt
代入数据解得E＝1.575×1016 J
理论上该发电站一年需要的氘的质量m总＝×10－3
代入数据解得m总＝18.75 kg。
11.(1)4H→He＋2e　(2)24.78 MeV　(3)4.22×109 kg
解析　(1)由题意可得核反应方程应为4H→He＋2e。
(2)反应前后质量亏损Δm＝4mH－mHe－2me＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm′＝＝ kg＝4.22×109 kg。第4节　核裂变与核聚变
学习目标　1.知道什么是核裂变。 2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。 3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作模式。 4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能。
5.了解可控热核反应及其研究和发展。
知识点一　核裂变的发现
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。你知道巨大的核能是从哪里来的吗？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.核裂变：铀核在被　　　　轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
2.铀核的裂变
（1）铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
（2）铀核分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子。
（3）核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。
（4）常见的裂变方程
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
3.链式反应
（1）定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应　　　　　　继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
（2）临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
（3）条件
①有足够数量的慢中子轰击。
②铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
4.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以　　　　能量。
如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于　　　　　标准煤完全燃烧时释放的化学能。
【思考】
　如图所示为核裂变示意图。
（1）重核裂变是一种天然现象吗？
（2）只要有中子轰击铀块就可以发生链式反应吗？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
角度1　对核裂变的理解
例1 关于重核的裂变，以下说法正确的是（　　）
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
2.重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。　　　　
角度2　裂变产生核能的计算
例2 用中子轰击铀核（U），其中的一个可能反应是分裂成钡（Ba）和氪（Kr）两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下（计算结果保留到小数点后两位）：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152. 604 7×10－27 kg。
（1）试写出该核反应方程；
（2）求出反应中释放的核能；
（3）我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，若该核电站中发生的反应为（1）中反应，则秦山核电站一年需要消耗多少千克的铀核（U）？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
铀核裂变释放核能的计算
（1）首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。
（2）根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。
（3）若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核（设为n），则铀块完全裂变释放的核能E＝nΔE。　　　　
知识点二　反应堆与核电站
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是　　　　　　，它的主要组成部分：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) _______ (浓缩铀) 提供核燃料
减速剂(慢化剂) _______、_______或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 _______ 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的_______ 传输热量
防护层 厚_______层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
2.工作原理
（1）核燃料发生　　　　　　释放能量，使反应区温度升高。
（2）能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外　　　　　　，把反应堆内的　　　　传输出去，用于　　　　，同时也使反应堆冷却。
3.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的　　　　　　，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的　　　　　　，需要装入特制的容器，　　　　　　。
【思考】
　核电站发电有哪些优点？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例3 如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是（　　）
A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B.中子速度越快越容易发生链式反应
C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
训练 （多选）原子核的链式反应可以在人工控制下进行，如图所示的核反应堆可实现核能的释放，图中铀棒为核燃料，铀棒周围要放“慢化剂”，镉棒又叫控制棒，反应堆外围还有一层水泥防护层。关于链式反应和核反应堆，下列说法正确的是 （　　）
A.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
B.要使链式反应持续进行，核燃料必须达到临界体积
C.为了加快核反应速度，可以将镉棒插入浅一些
D.“慢化剂”可实现减缓核反应速度的目的
知识点三　核聚变
万物生长靠太阳（如图），太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.核聚变
（1）定义：两个轻核结合成　　　　　　的核，并释放出　　　　的反应。
（2）举例：H＋H→　　　　＋n＋17.6 MeV。
（3）条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到　　　　m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的　　　　　　，这就要求原子核具有足够的动能。
获得足够动能的办法，就是把它们加热到很高的温度，温度高达　　　　开尔文，因此核聚变又叫　　　　　　。
（4）应用：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是　　　　，需要用　　　　　　爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
（5）太阳能：太阳的主要成分是　　　　。太阳的中心温度达1.6×107 K。在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部　　　　　　释放的核能。
2.受控热核反应
（1）核聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高。第二，地球上核聚变燃料氘储量丰富。第三，轻核聚变更为安全、清洁。
（2）核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
（3）控制方法
①磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质，目前性能最好的一种磁约束装置是　　　　　　。
②惯性约束：核聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的　　　　或X射线从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
【思考】
　发生核聚变需要什么条件？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例4 （2023·天津卷，3）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　）
A.核聚变需要在高温下进行
B.核聚变中电荷不守恒
C.太阳质量不变
D.太阳上进行的核反应为U＋n→Ba＋Kr＋3n
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例5 （2024·浙江1月选考）已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol－1，氘核摩尔质量为2 g·mol－1，1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是（　　）
A.核反应方程式为H＋H→He＋n
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到10－10 m就能发生核聚变
D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
随堂对点自测
1.（反应堆与核电站）如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是（　　）
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
2.（重核裂变）铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为U→Th＋X，裂变方程为U＋n→Y＋Kr＋3n，其中U、n、Y、Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是（　　）
A.U发生的是β衰变
B.Y原子核中含有56个中子
C.若提高温度，U的半衰期将会变小
D.U裂变时释放的能量为（m1－2m2－m3－m4）c2
3.（核聚变）（2023·湖南卷，1）2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置（EAST）创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是（　　）
A.相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B.氘氚核聚变的核反应方程为H＋H→He＋e
C.核聚变的核反应燃料主要是铀235
D.核聚变反应过程中没有质量亏损
第4节　核裂变与核聚变
知识点一
导学　提示　铀核的裂变
知识梳理
1.中子　3.(1)一代接一代　4.放出　2 800 t
[思考] 提示　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。
例1 D　[核裂变过程是核能转化为其他形式能的过程，释放的能量远大于俘获中子时得到的能量，A错误；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数不变，C错误；由于重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量且核子数不变，则重核裂变时，有质量亏损，放出核能，D正确。]
例2 (1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)3.22×10－11 J
(3)2.48×103 kg
解析　(1)根据电荷数守恒、质量数守恒可知，核反应方程为
U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(2)核反应前后的质量亏损Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝0.357 8×10－27 kg
反应中释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J。
(3)秦山核电站一年需要消耗铀核的质量
m＝×390.313 9×10－27 kg
≈2.48×103 kg。
知识点二
1.反应堆　铀棒　石墨　重水　镉棒　水　金属钠　水泥
2.(1)核裂变　(2)循环流动　热量　发电　3.水泥层　放射性　深埋地下
[思考] 提示　(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染比火力发电小。
例3 C　[正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。]
训练 BC　[链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，A错误；核燃料需达到临界体积才能使中子有足够大的概率打中某个铀核，发生持续的核反应，B正确；镉棒可以吸收中子，当插入浅一些时，吸收中子的数量减少，链式反应的速度会加快，C正确；“慢化剂”使快中子变为慢中子，被铀核俘获，使链式反应进行下去，不能减缓反应速度，D错误。]
知识点三
导学　提示　来源于太阳内部的核聚变反应
知识梳理
1.(1)质量较大　能量　(2)He　(3)10－15　库仑斥力　几百万
热核反应　(4)氢弹　原子弹　(5)氢　核聚变
2.(3)①环流器　②激光
[思考] 提示　需要足够大的能量使轻核间的距离达到10－15 m。
例4 A　[因为高温时原子核的热运动剧烈，使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生聚变，故聚变反应也叫热核反应，需要在高温下进行，A正确；由于核反应过程遵循质量数守恒以及电荷数守恒，因此核聚变中电荷数是守恒的，即电荷也是守恒的，B错误；轻核聚变释放出巨大的能量，由爱因斯坦质能方程可知核聚变存在质量亏损，所以太阳进行核聚变时，其质量减小，C错误；太阳上进行的是核聚变，而U＋n→＋3n是重核的裂变反应，D错误。]
例5 D　[核反应方程式为H＋H→He＋n，故A错误；氘核的比结合能比氦核的小，故B错误；氘核若与氚核发生核聚变，它们间的距离须达到10－15 m以内，故C错误；一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7) u＝0.018 9 u，聚变反应释放的能量是ΔE＝Δm×931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全参与聚变释放出能量E＝×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，数量级为1025 MeV，故D正确。]
随堂对点自测
1.B　[快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，故选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故选项C、D错误。]
2.D　[根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒，知X为氦原子核，故U发生的是α衰变，A错误；Y的质量数A＝235＋1－89－3＝144，电荷数Z＝92－36＝56，由原子核的组成可知，Y原子核中含有56个质子，中子数为144－56＝88，B错误；半衰期与温度、压强等外界因素无关，C错误；由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正确。]
3.A　[相同质量的核燃料，轻核聚变要比重核裂变质量亏损更多，根据爱因斯坦质能方程可知，轻核聚变放出的核能更多，A正确，D错误；根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的产物之一为中子，而不是电子，B错误；铀235为核裂变的主要燃料，C错误。](共63张PPT)
第4节　核裂变与核聚变
第五章　原子核
1.知道什么是核裂变。 2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。 3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作模式。 4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能。 5.了解可控热核反应及其研究和发展。
学习目标
目 录
CONTENTS
知识点
01
随堂对点自测
02
课后巩固训练
03
知识点
1
知识点二　反应堆与核电站
知识点一　核裂变的发现
知识点三　核聚变
知识点一　核裂变的发现
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。你知道巨大的核能是从哪里来的吗？
提示　铀核的裂变
1.核裂变：铀核在被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
2.铀核的裂变
(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
(2)铀核分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子。
中子
3.链式反应
(1)定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应_______________继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
(2)临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
(3)条件
①有足够数量的慢中子轰击。
②铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
一代接一代
4.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以_________能量。
如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于___________标准煤完全燃烧时释放的化学能。
放出
2 800 t
【思考】
如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以发生链式反应吗？
提示　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。
D
角度1　对核裂变的理解
例1 关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
解析　核裂变过程是核能转化为其他形式能的过程，释放的能量远大于俘获中子时得到的能量，A错误；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数不变，C错误；由于重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量且核子数不变，则重核裂变时，有质量亏损，放出核能，D正确。
1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
2.重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。　　　　
解析　(1)根据电荷数守恒、质量数守恒可知
(2)核反应前后的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg
＝0.357 8×10－27 kg
反应中释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J
≈3.22×10－11 J。
铀核裂变释放核能的计算
(1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。
(2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。
(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块完全裂变释放的核能E＝nΔE。　　　　
知识点二　反应堆与核电站
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是_________，它的主要组成部分：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) ______(浓缩铀) 提供核燃料
减速剂(慢化剂) ______、______或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 ______ 吸收中子，控制反应速度
热交换器 ___或液态的_________ 传输热量
防护层 厚______层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
反应堆
铀棒
石墨
重水
镉棒
水
金属钠
水泥
2.工作原理
核裂变
(1)核燃料发生_________释放能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外____________，把反应堆内的______传输出去，用于______，同时也使反应堆冷却。
循环流动
热量
发电
3.核污染的处理
水泥层
在反应堆的外面需要修建很厚的_________，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的_________，需要装入特制的容器，____________。
放射性
深埋地下
【思考】
核电站发电有哪些优点？
提示　(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染比火力发电小。
C
例3 如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　)
A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B.中子速度越快越容易发生链式反应
C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
解析　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。
BC
训练 (多选)原子核的链式反应可以在人工控制下进行，如图所示的核反应堆可实现核能的释放，图中铀棒为核燃料，铀棒周围要放“慢化剂”，镉棒又叫控制棒，反应堆外围还有一层水泥防护层。关于链式反应和核反应堆，下列说法正确的是 (　　)
A.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
B.要使链式反应持续进行，核燃料必须达到临界体积
C.为了加快核反应速度，可以将镉棒插入浅一些
D.“慢化剂”可实现减缓核反应速度的目的
解析　链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，A错误；核燃料需达到临界体积才能使中子有足够大的概率打中某个铀核，发生持续的核反应，B正确；镉棒可以吸收中子，当插入浅一些时，吸收中子的数量减少，链式反应的速度会加快，C正确；“慢化剂”使快中子变为慢中子，被铀核俘获，使链式反应进行下去，不能减缓反应速度，D错误。
知识点三　核聚变
万物生长靠太阳(如图)，太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？
提示　来源于太阳内部的核聚变反应
1.核聚变
质量较大
(1)定义：两个轻核结合成____________的核，并释放出______的反应。
(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到______ m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的____________，这就要求原子核具有足够的动能。
能量
10－15
库仑斥力
获得足够动能的办法，就是把它们加热到很高的温度，温度高达_________开尔文，因此核聚变又叫____________。
(4)应用：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是______，需要用_________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(5)太阳能：太阳的主要成分是___。太阳的中心温度达1.6×107 K。在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_________释放的核能。
几百万
热核反应
氢弹
原子弹
氢
核聚变
2.受控热核反应
(1)核聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高。第二，地球上核聚变燃料氘储量丰富。第三，轻核聚变更为安全、清洁。
(2)核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(3)控制方法
①磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质，目前性能最好的一种磁约束装置是_________。
②惯性约束：核聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的______或X射线从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
环流器
激光
【思考】
发生核聚变需要什么条件？
提示　需要足够大的能量使轻核间的距离达到10－15 m。
A
例4 (2023·天津卷，3)关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是(　　)
D
随堂对点自测
2
B
1.(反应堆与核电站)如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　　)
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成
慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入
浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析　快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，故选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故选项C、D错误。
D
A
3.(核聚变)(2023·湖南卷，1)2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是(　　)
解析　相同质量的核燃料，轻核聚变要比重核裂变质量亏损更多，根据爱因斯坦质能方程可知，轻核聚变放出的核能更多，A正确，D错误；根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的产物之一为中子，而不是电子，B错误；铀235为核裂变的主要燃料，C错误。
课后巩固训练
3
C
对点题组练
题组一　核裂变的发现　反应堆与核电站
1.下列核反应中属于裂变反应的是(　　)
D
A
B
ABC
题组二　核聚变
5.(多选)下列关于核聚变的说法中，正确的是( 　)
A.要使核聚变发生，必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行
解析　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，故A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，故D错误。
B
6.(人教版教材P125T7改编)太阳就是一个巨大的热核反应堆，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W，太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s，估算太阳每秒失去质量的数量级为(　　)
A.106 kg B.109 kg C.1012 kg D.1015 kg
D
7.已知氘核的比结合能为1.1 MeV，氦核的比结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时(　　)
A.释放出4.9 MeV的能量 B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量 D.释放出24.0 MeV的能量
D
D
(1)写出该核聚变反应的核反应方程式，并计算一次核聚变反应中释放的核能(保留2位有效数字)；
(2)未来建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝5×108 W，计算理论上该发电站一年(3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。
反应中的质量亏损为Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)＝0.018 8 u
则ΔE＝0.018 8×1.49×10－10 J＝2.8×10－12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E＝Pt
代入数据解得E＝1.575×1016 J
培优加强练
11.太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(1)写出这个核反应方程；
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
解析　(1)由题意可得核反应方程应为4H→He＋2e。
(2)反应前后质量亏损Δm＝4mH－mHe－2me＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量

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