资源简介

5.5　裂变和聚变
【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,知道核聚变,掌握聚变反应的特点及条件。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道核电站及其原理,体会核能在生活中的应用。(物理观念、科学态度与责任)
【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　核裂变与链式反应
　　第二次世界大战结束前夕,美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹,刹那间,这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。阅读教材相关内容,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


4.核裂变除了制造核武器,还可以做什么


　　核裂变
(1)重核分裂成质量中等的核,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　　　　。
探究链式反应
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。
问题:当链式反应产生第十代中子时,则:
(1)铀核裂变是如何发生的
(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗
(3)第十代中子共有多少个
(4)至此共有多少个铀核发生了裂变

归纳总结
链式反应的条件
(1)要有足够浓度的U。
(2)要有足够数量的慢中子。
(3)铀块的体积要大于临界体积。
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
链式反应的原理是什么


任务2　核聚变与受控热核反应
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
两个轻核结合成质量较大的核,这样的反应叫作④　　　　。聚变的条件:要加热到几百万摄氏度以上的高温。
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⑤　　　　;轻核聚变反应更为⑥　　　　、⑦　　　　。
应用　典型的核聚变分析
中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的HeHe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聚变的核反应方程如下:
HHHe+X+3.3 MeV,HeHeHe+2Y+12.86 MeV,下列说法正确的是 (　　)
A.X为质子,Y为中子
BHe的比结合能比He的比结合能大
C.方程①中质量亏损约为5.9×10-31 kg
D.方程②中核子平均释放的能量约为2.14 MeV
如何计算核反应中释放的核能 什么是比结合能

任务3　核能利用
　　核电站使原子核的链式反应在人工控制下进行,使核能转化为内能,再转化为电能。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U235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.燃料棒一般是用浓缩铀制成的,是不是纯度很高的铀就是浓缩铀


2.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


3.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——⑧　　　　,由浓缩铀制成。
(2)控制棒——由镉做成,用来控制⑨　　　　。
(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⑩　　　　,以便让U235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
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为U+nXSr+n,则下列叙述正确的是 (　　)
A.X原子核中含有86个中子
B.X原子核中含有141个核子
C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加
D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少
2.(任务2)恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应。核反应方程为He+HeBe+γ。以下说法正确的是 (　　)
A.该核反应为裂变反应
B.热核反应中有质量亏损,会放出巨大能量
C.由于核反应中质量数守恒,所以质量也是守恒的
D.发生该反应的条件是参与反应物质的体积要大于临界体积
3.(任务3)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
4.(任务2、3)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式HHe+H+n+43.15 MeV 表示。海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV=1.6×10-13 J,则M约为 (　　)
A.40 kg　　　　　 B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
参考答案
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,使其分裂为质量中等的原子核的过程叫作原子核的裂变。
由于中等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。
4.利用重核的裂变来发电。
知识生成　①裂变　②链式反应　③临界体积
应用探究
活动　(1)铀核的裂变
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,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应。
(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生,故铀核裂变不会自发地进行。要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应。
(3)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。
(4)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　【提示】用中子作为炮弹轰击重核,重核分裂成几个中等核同时放出多个中子,从而产生链式反应。
【答案】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.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,使物质达到几百万摄氏度以上的高温。
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　④聚变　⑤储量丰富　⑥安全　⑦清洁
应用探究
例2　【提示】可用爱因斯坦质能方程计算释放的核能;比结合能等于结合能除以核子数。
【答案】D
【解析】由电荷数和质量数守恒可知,X为中子,Y为质子,A项错误;聚变的核反应过程放出热量,则He比He更稳定,所以He的比结合能比He的比结合能小,B项错误;由爱因斯坦质能方程可得ΔE=Δmc2,解得质量亏损Δm=,代入数据,解得Δm=5.9×10-30 kg,C项错误;核子平均释放的能量约为== MeV ≈2.14 MeV,D项正确。
任务3
问题引领
1.浓缩铀是 U的比例较高的铀。根据国际原子能机构的定义,丰度为3%的铀235为核电站发电用低浓缩铀,铀235丰度大于80%的铀为高浓缩铀,其中丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀,主要用于制造核武器。
2.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。
3.控制棒控制链式反应的速度,具体做法是: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,当将镉棒插得深一些时,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　⑧铀棒　⑨反应速度　⑩慢中子
应用探究
例3　(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,B项正确,A项错误;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,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。
随堂检测·精评价
1.A　【解析】X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,B项错误;中子数为140-(92-38)=86个,A项正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D两项错误。
2.B　【解析】该核反应为聚变反应,A项错误;核反应中的裂变和聚变,都会有质量亏损,都会放出巨大的能量,B项正确;核反应中质量数守恒,质量不守恒,C项错误;裂变中链式反应的条件才要大于临界体积,D项错误。
3.C　【解析】镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,C项正确。
4.C　【解析】结合核反应方程知,1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E=×43.15×1.6×10-13 J≈1.15×1010 J,根据题意得M=M0=×1 kg≈400 kg,A、B、D三项错误,C项正确。

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