资源简介

5.4　核裂变　核聚变
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道核裂变及链式反应,掌握核裂变反应的发生条件及所释放核能的计算。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动,知道核电站及其原理,体会裂变反应在生活中的应用。(物理观念、科学态度与责任)
3.通过任务3及其活动,知道核聚变,掌握聚变反应的特点及条件。(物理观念、科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:有下列4个核反应方程,依次属于什么核反应类型
① Na→ Mge
UnBaKr+n
FHe→ NeH
HeHHeH
思考2:核聚变与重核裂变相比有什么优点


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。 (　　)
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。 (　　)
(3)核聚变与核裂变都存在质量亏损。 (　　)
(4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　核裂变及链式反应
　　原子弹的威力巨大。阅读课本相关内容,回答下面的问题。
1.什么是核裂变 为什么核裂变会释放巨大的能量

2.什么是链式反应


3.在原子弹中为什么铀要分成许多小块装在原子弹内,而不制成一整块


核裂变
1.重核分裂成中等质量的核,释放出核能的反应,称为①　　。
2.这种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,叫作核裂变的②　　。
3.通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的③　　,相应的质量叫作④　　。
链式反应探讨
如果有一个中子击中铀核的裂变反应放出两个中子,放出的中子(第一代中子)都能击中其他的铀核,则其他铀核的裂变反应同样放出两个中子(第二代中子),放出的中子都能击中其他的铀核,形成如图所示的链式反应。当链式反应产生第十代中子时,则:
(1)第十代中子共有多少个
(2)至此共有多少个铀核发生了裂变

应用　典型的铀核裂变分析
有一种典型的铀核裂变,生成钡和氪,同时放出3个中子,其核反应方程可表示为U+XBa+Kr+n,已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.核反应方程中,X粒子是正电子
B.核反应方程中,X粒子是质子
CUBa和Kr相比Ba核的比结合能最大,所以最稳定
D.裂变产物的结合能之和大于反应前铀核的结合能
任务2　核反应堆与核电站
　　大家知道目前世界上有少数国家建立了核电站,核电站使原子核的链式反应可以在人工控制下进行,使核能转化为内能,最终转化为电能。其主要部件和作用如表格所示。
名称 减速剂 控制棒 热循环介质 保护层
材料 石墨、重水或普通水(有时叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥层
作用 使快中子变成慢中子,以便让铀235俘获 吸收中子,控制反应速度 在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去 屏蔽裂变产物放出的各种射线,防止核辐射
1.核反应堆中常用重水或石墨作为减速剂,减速剂在核反应堆中是不是起减慢核反应速度作用的

2.核反应堆中的控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成,它们是怎样控制链式反应速度的

核电站
1.核燃料——⑤　　,由浓缩铀制成。
2.控制棒——由镉做成,用来控制⑥　　。
3.减速剂由石墨、重水或普通水(有时叫轻水)做成,用来跟快中子碰撞,使快中子能量减少,变成⑦　　,以便让铀235俘获。
4.冷却剂:用水或液态钠等流体将反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却。
5.水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线,防止核辐射。
应用　核反应堆的组成与作用
核电站工作流程示意图如图1所示。
(1)核电站的核心设施是核反应堆,是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由四部分组成,它们是 (　　)
A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统
C.原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D.原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
(2)慢中子反应堆的示意图如图2所示,下列对于反应堆的说法正确的是 (　　)
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
(3)核电站是如何实现能量的转化与转移的

归纳总结 　　核反应堆的组成与作用 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速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
任务3　核聚变及其特点
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”。它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并输出能量,就像太阳一样为人类提供无限的清洁能源。
1.聚变是自发的吗 若不是,需要什么条件

2.轻核聚变是放能反应吗 为什么

3.核聚变的应用有哪些 请举一例。

核聚变
1.两个轻核结合成质量较大的核,这样的反应叫作⑧　　。聚变的条件:要加热到几百万开尔文的高温。
2.聚变与裂变相比有很多优点:轻核聚变产能效率高;地球上聚变燃料的⑨　　;轻核聚变反应更为⑩　　、　　。
应用　核聚变分析
核聚变实验的核反应方程为H+HHen,已知α粒子的质量为4.002 6 u,氘核的质量为2.014 1 u,氚核的质量为3.016 1 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV,下列说法正确的是(　　)
AH和H中子数相同
B.一个氘核与一个氚核聚变反应释放的能量约为17.6 MeV
C.核裂变反应会产生质量亏损,核聚变反应不会
D.该反应堆中需要镉棒来控制反应速度
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)下列核反应中,表示核裂变的是 (　　)
AU ThHe
BC N+ e
CUn BaKr+n
DBeHe Cn
2.(任务2)关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是 (　　)
A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
3.(任务3)(多选)大约在几十亿年后,太阳会逐渐进入红巨星时期,核心温度逐渐升高,当升至某一温度时,太阳内部的氦元素开始转变为碳,即氦闪。三个He生成一个C(称为3α反应),瞬间释放大量的核能,核反应方程为HeC。下列说法正确的是(已知C的质量mC=12.000 0 u,He的质量mHe=4.002 6 u,1 u对应的能量是931.5 MeV) (　　)
A.氦闪发生的是人工转变
B.一次3α反应释放的核能为7.265 7 MeV
C.一次3α反应亏损的质量Δm=0.007 8 u
DC的比结合能比He的比结合能大
4.(任务3)(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,阿伏伽德罗常量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.核反应方程为HHHen
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
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:①衰变、②裂变、③人工转变、④聚变。
思考2:第一,相同质量的核材料,聚变反应产生的能量更多;第二,地球上聚变的燃料储量丰富;第三,轻核聚变更安全、清洁,产生的核废料数量少、易处理。
判断　(1)×　(2)√　(3)√　(4)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.用中子轰击重核,使其分裂为中等质量的原子核的过程叫作原子核的裂变。由于中等质量的原子核的比结合能大,重核的比结合能小于裂变后原子核的比结合能,因此重核裂变会出现质量亏损,亏损的质量以能量的形式释放。
2.重核裂变时会释放更多的中子,这些中子又会轰击其他的重核,使裂变反应不断进行下去的过程叫作链式反应。
3.当铀的体积超过临界体积时,铀会在自发裂变产生的中子作用下自动地发生链式反应。
知识生成　①裂变　②链式反应　③临界体积　④临界质量
应用探究
活动　(1)第一代中子有2个(21),第二代中子有4个(22),第3代中子有8个(23)……以此类推,第十代中子有210个,结果为1 024个。
(2)放出第一代中子时,有1个铀核发生裂变,放出第二代中子时,共有1+2个铀核发生裂变,放出第三代中子时,共有1+2+4个铀核发生裂变……以此类推,放出第十代中子时,共有20+21+22+…+29个铀核发生裂变,结果为210-20=1 023个。
例1　D　【解析】根据电荷数守恒、质量数守恒知,X的电荷数为0,质量数为1,X为中子,A、B两项错误;由题图可知,在Fe附近原子核的比结合能最大,然后随核子数的增大,比结合能减小UBa和Kr相比Kr核的比结合能最大,所以最稳定,C项错误;因裂变放出能量,则裂变产物的结合能之和大于反应前铀核的结合能,D项正确。
任务2
问题引领
1.不是,减速剂的作用是使快中子变为慢中子,发生链式反应起作用的中子恰恰就是慢中子。
2.控制棒控制链式反应的速度,具体做法:在核反应堆的铀棒之间插入一些镉棒,镉具有吸收中子的能力,将镉棒插得深一些,就能使更多的中子被吸收,从而使链式反应的速度慢下来。
知识生成　⑤铀棒　⑥反应速度　⑦慢中子
应用探究
例2　(1)A　(2)B　(3)见解析
【解析】(1)核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成,A项正确。
(2)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,A项错误,B项正确;控制棒由镉做成,镉吸收中子的能力很强,当反应过于剧烈时,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,C、D两项错误。
(3)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来,推动汽轮机工作。
任务3
问题引领
1.聚变不是自发的,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.氢弹。
知识生成　⑧核聚变　⑨储量丰富　⑩安全　清洁
应用探究
例3　B　【解析H比H少一个中子,A项错误;根据题意可知,该反应的质量亏损Δm=2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u=0.018 9 u,则聚变反应释放的能量ΔE=Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV,B项正确;核裂变和核聚变都会产生质量亏损,C项错误;核裂变反应堆中才需要镉棒来控制反应速度,D项错误。
随堂检测·精评价
1.C　2.C
3.BCD　【解析】核聚变,即轻原子核(例如氘和氚)结合成较重原子核(例如氦)时放出巨大能量,氦闪发生的是核聚变反应,A项错误;由核反应方程HeC,可知亏损的质量Δm=3mHe-mC=0.007 8 u,释放的能量ΔE=Δmc2=0.007 8×931.5 MeV=7.265 7 MeV,B、C两项正确;原子核的比结合能越大,原子核越稳定He通过核聚变生成C释放巨大能量,说明C的比结合能更大,D项正确。
4.D　【解析】核反应方程为HHHen,A项错误;氘核的比结合能比氦核的小,B项错误;氘核与氚核发生核聚变,要使它们间的距离达到10-15 m以内,C项错误;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ΔE=Δm×931.5 MeV≈17.6 MeV,4 g氘完全参与聚变释放能量E=×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV,数量级为1025 MeV,D项正确。

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