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(共27张PPT)
5.4　核裂变和核聚变
5.5　核能的利用与环境保护
1.知道重核裂变中能释放出巨大的能量．　
2.了解常用裂变反应堆的类型．　
3.知道聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量．　
4.了解可控热核反应及其研究和发展前景．　
5.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类．　
学习目标
1.定义：重核在被中子轰击后分裂成两个质量差不多的较轻原子核，并放出核能的过程.
2.铀核的裂变
(1)发现：1938年，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变.
(2)裂变产物：多种多样
＋→＋＋2
＋→＋＋3
一、重核裂变
3.链式反应
(1)定义：当中子进入，使其分裂成几块，同时释放出2~3个中子，这些中子又引起其它铀核的裂变，这样裂变就会不断的进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应.
(2)必要条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积或核裂变物质的质量大于或等于临界质量.
原子弹
【例1】(多选)关于裂变反应，下列说法正确的是(　　)
A.用中子轰击铀核发生裂变，其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
解析：用中子轰击等少数重核元素才能发生裂变反应，铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分，但产生两部分的概率最大，A、D错误，C正确；铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量，B正确.
答案：BC
1．核电站发电的主要原理：核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
二、反应堆与核电站
2．核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
3．核反应堆与原子弹爆炸的比较：原子弹爆炸时，链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
【例2】在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
(1)核反应方程式＋→＋＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________．以mU、mBa、mKr分别表示、 、核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的的质量．
解析：(1)由反应方程可知：X为，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2．
(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗的功率为
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，
电站每年消耗的能量为
W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J．
每年消耗的质量为
M＝ mU＝ kg＝1 105 kg．
答案：(1) 　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg
托卡马克装置
人造太阳
三、轻核聚变与可控热核聚变反应
1．轻核聚变
采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为轻核聚变．
2．太阳内部核聚变的反应方程＋→ ＋ ．
3．核子聚变的条件
要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围．
4．物质第四态——等离子态
在高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态——等离子态．高温等离子体的密度及高温维持时间达到一定值时才能实现聚变．
5．约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束．
1．核能利用
核原料提供的能量巨大，1 kg铀释放的全部能量大约相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．
核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．
四、核能的利用及环境保护
2．环境保护
核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．
3．废料处理
对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．
4．核电站
(1)原理
原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．
(2)优点
①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．
②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．
【例3】我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文缩写：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核()的质量为m1，氚核()的质量为m2，反应后氦核()的质量为m3，中子()的质量为m4．光速为c．下列说法不正确的是(　　)
A．这种装置中发生的核反应方程式是＋→ ＋
B．由核反应过程中质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用的核装置的核反应原理不相同
解析：可控热核反应装置中发生的核反应方程式是＋→ ＋ ，故A正确；核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B错误；核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C正确；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用的核装置的核反应是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D正确．
答案：B
1.氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为＋→＋X，式中x是某种粒子，已知：、、和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子X是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．
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解析：根据质量数守恒、电荷数守恒，不难推算粒子X是(中子)．根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2知，
该反应释放出的能量为ΔE＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7)×931.5 MeV＝17.6 MeV.
答案： (中子)　17.6
2.落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量．原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个原子核进行分裂？该原子弹中含的质量最小限度为多少千克？(一个原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)
解析：一个原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J．设共有n个核发生裂变：n＝个≈2.6×1024个，铀的质量m＝235×10－3× kg≈1.015 kg．
答案：2.6×1024 个　1.015 kg
3.(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　 )
A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。
答案：ABD

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