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第十六章 永恒的探索：宇宙和粒子
第3节 核能的开发与利用
物理观念：知道核裂变、核聚变的定义，了解核能的利用方式；
科学思维：能区分核裂变与核聚变的特点，分析核能利用的利弊；
科学探究：通过链式反应模拟，理解核反应堆的控制原理；
科学态度与责任：树立 “和平利用核能、关注核安全” 的意识。
教学重点：核裂变、核聚变的原理；核能的利用（核电站）；
教学难点：链式反应的控制；核安全与核废料处理。
原子核体积很小，但在一定条件下却能释放出惊人的能量。
原子核的“能量”
原子核是如何释放能量的？怎样才能有效利用这些能量？
原子核中蕴藏着惊人的能量（示意图）
知识点一：核能
重核（如铀）分裂成较轻原子核，释放能量。
核裂变
轻核（如氢）结合成较重原子核，释放能量。
核聚变
E=mc2
1.公式：
E：物质具有的能量；
m：物质的质量；
c：光在真空中的传播速度
核裂变：重核的“分裂”
1938年，物理学家用中子轰击铀核，铀核分裂成两个中等质量的核，同时放出中子和能量。
核裂变一旦开始，会引发一种“连锁反应”
1kg铀全部裂变放出的能量相当于2500t优质煤完全燃烧所放出的能量。
核裂变的 “连锁反应”：链式反应
一个中子轰击铀核，分裂时放出 2~3 个中子，这些中子再轰击其他铀核，持续分裂并释放大量能量。
不加控制：瞬间释放能量→原子弹；
可控：缓慢释放能量→核电站
链式反应：
两种结果：
更高效的核能：核聚变
轻核（如氢的同位素氘、氚）在极高温度（≈1 亿℃）下结合成重核，释放能量；
定义：
原料丰富（海水中含大量氘）；
能量密度更高（是核裂变的 4 倍以上）；
无污染（产物是氦，无放射性）；
特点：
核聚变最典型的例子，就是我们每天见到的——
太阳的 “能量源泉”：核聚变
温度高达1570万摄氏度，压力极大，氢核持续发生核聚变，释放的能量以光和热的形式传播到地球；
太阳内部：
太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。
1.下列关于原子核裂变和聚变的说法，正确的是（　　）
A．目前人类还不能有效控制原子核裂变
B．自然界中只有在人为的条件下才会发生核聚变
C．到目前为止，人类获得核能有两条途径，即核裂变和核聚变
D．原子核在任何条件下都能发生聚变
C
2.核电站发电利用的是原子核发生 （填“裂变”或“聚变”）时释放的能量，其核能属于 （填“可再生”或“不可再生”）能源，其巨大能量来自图 （选填“A”或“B”）所示的核反应。
裂变
不可再生
A
知识点二：核能的利用
核电站
加以控制的链式反应
核电站
核心设备
核反应堆
原理
核反应堆中的链式反应在控制下缓慢释放核能。
核电站的结构与原理（一）
核电站工作过程中的能量转化
核能
内能
机械能
电能
核反应堆的组成：
核燃料：
铀棒（发生核裂变）；
控制棒：
镉棒（吸收中子，控制链式反应速度）；
减速剂：
石墨 / 重水（减慢中子速度，使其易撞击铀核）；
冷却剂：
水（带走热量，产生蒸汽）。
中国核电：从 “跟跑” 到 “领跑”
“华龙一号”：
我国自主研发的第三代核电技术，满足全球最高安全标准；
成就：
已实现商业化运营，标志我国核电技术自主可控。
“华龙一号”核电机组福清核电5号和6号机组
“人造太阳”：可控核聚变的探索
需要维持 1 亿℃以上的高温、足够的压力；
难点：
“东方超环（EAST）” 实现 1.2 亿℃持续 101 秒、4 亿℃持续 20 秒的突破。
我国成就：
“核能是‘双刃剑’，利用它的同时，必须关注 ——”
3.日本发生了里氏9级强烈地震，引发海啸，导致福岛核电站受损，核电站是通过 （选填“裂变”“聚变”）获得巨大能量，从而转化为 能，该核电站的核反应堆受损，已经发生核泄漏，造成了严重污染。
裂变
电
4.黄龙界头庙风电场矗立着许多如图所示的大风车，它可以将风能转化为电能。风能不仅清洁，而且还是 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。核电站利用核能发电，它的核心是反应堆，核反应堆是通过可控 （选填“核裂变”或“核聚变”）反应释放核能的设备。
可再生
核裂变
知识点三：核安全
和平利用、严格管控、防扩散
核能的 “双刃剑”：核安全
2.核安全原则：
核泄漏（如切尔诺贝利、福岛事故）会释放放射性物质，危害环境与健康。
1.核风险：
除了核泄漏，核能利用还有一个难题 ——
中低放射性：密封后浅层填埋；
高放射性：冷却→固化→深层地质填埋（需隔离数万年）
核能的 “后遗症”：核废料处理
2.处理方式：
低放射性（如设备外壳）、高放射性（如用过的铀棒）。
1.核废料分类：
如何安全、永久地处理核废料是一个重大课题。
我国“两弹一星”的成就
建国初期我国的武器制造水平落后；
为了国家的独立自主和长治久安。
1.“两弹一星”的战略背景：
1960 年：第一枚自主研制的导弹发射成功
1964 年：第一颗原子弹爆炸成功
1967 年：第一颗氢弹空爆试验成功
1970 年：第一颗人造地球卫星 “东方红一号” 发射成功。
2.“两弹一星” 的成就时间线：
邓稼先：原子弹理论设计的核心人物
于敏：氢弹原理突破的关键科学家。
3.“两弹一星” 的核心贡献者：
提升国际地位、保障国家安全
带动科技事业发展
凝聚 “热爱祖国、无私奉献” 的精神。
4.“两弹一星” 的意义：
两弹一星功勋奖章
邓稼先
于敏
核能的开发与利用
核能的来源
核能的利用
核能的挑战
核裂变：重核分裂→链式反应
核聚变：轻核聚合→太阳/人造太阳—难点：高温高压
可控：核电站
不可控：原子弹
核电站
我国成就
能量转化过程：核能→内能→机械能→电能
核电站核心设备：核反应堆
华龙一号
东方超环
核安全—核泄漏风险
核废料—分类与处理

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