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4　核裂变与核聚变
素养·目标定位
目标素养
1.知道核裂变的概念,知道重核裂变能释放出巨大的能量
2.知道什么是链式反应
3.了解核聚变的特点及其条件
4.了解可控热核反应及其研究和发展
知识概览
课前·基础认知
一、核裂变的发现
1.核裂变: 重核被　中子　轰击后分裂成两个或多个中等质量核的反应。
2.链式反应: 由重核裂变产生的　中子　使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫作核裂变的链式反应。
3.临界体积和临界质量: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。
微判断 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　　)
(2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能发生。
(　　)
(3)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　　)
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。(　　)
(5)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。
(　　)
×
√
×
√
×
二、反应堆与核电站
1.反应堆的构造和用途。
(1)铀棒的用途:核燃料。
(2)慢化剂:石墨、　重水　和普通水(也叫轻水)。
(3)镉棒:控制核反应　速度　。
2.核电站的工作流程。
(1)核电站发电原理。
核燃料发生核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,用于发电。
(2)核电站工作流程。
三、核聚变
1.核聚变:两个　轻核　结合成质量较大的核的核反应。
2.核聚变条件:轻核的距离要达到　10-15 m　以内。
3.核聚变优点。
(1)轻核聚变产能　效率高　。
(2)燃料氘　储量丰富　。
(3)轻核聚变更为　安全、清洁　。
4.约束方法。
(1)磁约束:带电粒子运动时,在匀强磁场中会由于　洛伦兹力　的作用而不飞散,因此有可能利用磁场
来约束参加反应的物质,这就是磁约束。
(2)惯性约束:利用核聚变物质的惯性进
行约束。在惯性约束下,可以用高能量
密度的　激光　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。由于核聚变反应的时间非常短,被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。
惯性约束示意图
微探究 万物生长靠太阳,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,如果太阳没有了,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。
课堂·重难突破
一 核裂变及链式反应
问题探究
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(2)有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
归纳总结
1.铀核的裂变和裂变方程。
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂: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,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程。
2.链式反应的条件。
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
3.裂变反应的两点说明。
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法。
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
典型例题
角度1　对核裂变的理解
【例1】 关于重核的裂变,下列说法正确的是(　　)
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
答案:D
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,选项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,选项B错误。重核裂变时,核子数不变,选项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,选项D正确。
特别提示 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。
特别提示 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为E=nΔE。
二 反应堆与核电站
问题探究
如图为核反应堆示意图:
(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应 如何控制裂变反应的激烈程度
(2)核电站发电有什么优点
提示:(1)慢中子。当反应过于激烈时,使镉棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,反之,应使镉棒插入浅一些,让它少吸收一些中子,链式反应的速度就会快一些。
(2)核电站发电的优点有:消耗的核燃料少;作为核燃料的铀、钍等在地球上可开采的储量大;对环境污染要比火力发电小。
归纳总结
1.核电站的主要组成及其作用。
核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件如表:
部件
名称 慢化剂 控制棒 热循环
介质 保护层
采用的
材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染
2.反应堆工作原理。
(1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把热量传输出去,用于发电。
(4)保护层:发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
3.核电站发电的优点。
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可开采的储量大,所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
典型例题
【例3】 如图所示,核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放,核燃料是铀棒,在铀棒周围放慢化剂,快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后,中子速度减小变为慢中子。
核反应堆结构
下列说法正确的是(　　)
A.慢化剂使快中子变慢中子,慢中子更难被铀核俘获,从而减缓反应速度
B.裂变后的新核的比结合能小于铀核的比结合能
C.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
D.当核反应过于缓慢时,可以适当地抽出镉棒,达到加快核反应速度的目的
答案:D
解析:慢中子更容易被铀核俘获,中子的速度不能太快,否则无法被铀核捕获,裂变反应不能进行下去,选项A错误;重核裂变的过程中有质量亏损,释放核能,故新核的比结合能大于铀核的比结合能,选项B错误;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,选项C错误;核反应堆中,镉棒的作用是吸收中子,以控制反应速度,当核反应过于缓慢时,可以适当地抽出镉棒,以达到加快核反应速度的目的,选项D正确。
三 核聚变
问题探究
我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。
写出一个核聚变反应的方程。
归纳总结
1.聚变发生的条件。
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能,就要给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应。
从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.核聚变的特点。
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
(4)遵守规律:核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后代入ΔE=Δmc2进行计算。
4.核聚变的应用。
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
5.重核裂变与轻核聚变的区别。
比较项 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
成 果 验 收 站
1.下列说法不正确的是(　　)
答案:D
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
答案:C
解析:正常运行的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,选项A错误;中子速度越快越不容易使链式反应发生,选项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,选项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,选项D错误。
答案:D
解析:核聚变是轻核的聚变,相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多,选项A正确,C错误。氘氚核聚变反应遵守电荷数守恒和质量数守恒,选项B错误。核聚变反应有质量亏损,选项D错误。

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