1、第第 4 4 节节 核裂变和核聚变核裂变和核聚变 第第 5 5 节节 核能的利用与环境保护核能的利用与环境保护 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道什么是核裂变。 2.知道链式反应及链式反应的 条件，并能计算裂变释放的核 能。 3.知道核聚变反应的特点及其 条件， 并能计算核聚变释放的能 量。 利用质能方程 计算重核裂变 与轻核聚变释 放的核能。 1.了解可控热核 反应及其研究和 发展。 2.了解核能利用 的优势、危害及 其防护措施。 知识点一 重核裂变与链式反应 观图助学 如图为原子弹爆炸时产生的蘑菇云，原子弹是核武器之一，爆炸时产生巨大冲击 波会对周边几百平方公里的范围造
2、成杀伤和破坏， 并且带来大面积的放射性污染， 那么，原子弹的原材料是什么？为什么能够释放如此巨大的能量？ 1.重核的裂变 (1)定义 用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反 应过程称为核裂变。 (2)铀核的裂变 一种常见的核反应方程：235 92U10n141 56Ba9236Kr310n 在不同的裂变反应中， 235 92U 核释放的能量也不同。如果按照一个235 92U 核裂变时 释放 200 MeV 的能量来估算，1 kg 的235 92U 全部裂变释放出的核能相当于两千余 吨标准煤完全燃烧释放的能量。 2.链式反应 (1)定义： 在235 92U 核裂变
3、释放出巨大能量的同时， 平均每次可以放出 23 个中子， 这些中子称为第 1 代中子，如果其中至少有一个继续轰击235 92U，使之发生裂变， 就能产生第 2 代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断 加强， 就形成了裂变的链式反应。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界 体积。 (2)发生条件：铀核的体积达到临界体积。 思考判断 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象。() (2)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变。() (3)铀块的体积大于临界体积时链式反应才能不停地进行下去。() 衰变不是核裂变， 衰变是原子核自发地放出 粒子，核裂变是重核在外界影 响下分裂为两个或多个质
4、量相近的原子核。 235 92U 不止一种裂变方式，如还有：235 92U10n139 54Xe9538Sr210n 原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙。如果铀块的体积不够大，中子通 过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去。 知识点二 轻核聚变与可控热核反应 1.轻核聚变 (1)定义：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)太阳内部的核聚变：太阳内部核聚变的反应方程为21H31H42He10n，平均每 个核子释放的结合能约为 3.5 MeV，要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。 (3)轻核聚变的优点：聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所
5、用的燃料容易获 得。氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应10n63Li42He31H 得 到。 2.可控热核聚变 (1)热核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范 围。以氘核发生聚变为例，必须在大约 108 K 高温下，使氘核获得至少 70 keV 的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。 (2)物质第四态：轻核聚变温度到达 108 K，在这样的高温下，原子已完全电离， 形成了物质第四态等离子态。 (3)约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束。 思考判断 (1)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。 () (2)轻
6、核发生聚变反应不需要条件。() (3)轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围。() 轻核聚变不是重核裂变的逆过程。 轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能。 轻核聚变的原材料丰富，反应产物对环境无污染。 目前实现热核反应存在的困难是： 地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需 要的高温。 知识点三 核能的利用与环境保护 1.核电站 (1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。 (2)目前核电站的反应堆以235 92U 为燃料，发电成本低于煤电。 (3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用。 2.核武器 (1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。 (2
7、)氢弹是一种不需人工控制而实现核聚变的反应装置，它利用21H 和31H 迅速地聚 变成42He，产生比原子弹更为强烈的爆炸。 3.核能的优势与危害 (1)核能作为一种新能源，有很多优势。 核能发电可缓解能源危机。 在安全运行的情况下，核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。 (2)核能的利用也存在一些危害。 核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料。 核武器的威力巨大， 不仅能摧毁地球上的生命， 还会使生态环境受到严重破坏。 思考判断 (1)目前，除核裂变外，可控热核聚变也已经被广泛应用于核电站发电。() (2)因为核废料的高辐射性，核能发电比燃煤发电对环境的污染要大。() (3)核能作为
8、一种新能源，能够缓解能源危机。() 目前我国核电不到全国累计发电总量的 4%，仍有很大的上升空间。 轻核聚变需要几百万开尔文的高温，氢弹是靠原子弹爆炸时产生的高温引爆的。 核能发电一旦出现崩塌造成核泄漏，就会污染大片地区，造成人员伤亡。 核能发电产生的核废料具有很强的放射性，并且半衰期也很长，需要装入特制的 容器，深埋地下。 核心要点 重核裂变与核反应堆 问题探究 如图为铀核裂变示意图。 (1)铀核裂变是如何发生的？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？ 答案 (1) 重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种 重核的同位素要发生形变
9、，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核 子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状，最后分裂 成两部分，同时放出中子。铀核裂变的一种核反应方程为 235 92U10n144 56Ba8936Kr 310n。 (2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。 探究归纳 1.裂变过程放出能量的原因 中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中 等大小的核，核子的平均结合能会增加，发生质量亏损并释放出能量。 2.235 92U 两种典型的裂变方程 235 92U10n139 54Xe9538Sr210n 235 92U10n141 56Ba9
10、236Kr310n 3.链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积。体积超过临界体积时，保证中子能够碰到 铀核。 (2)有足够浓度的铀 235。 (3)有足够数量的慢中子。 4.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 的吸收，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。控制棒 插入深一些，吸收中子多，反应速度 变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速
11、度加快，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，用于驱动汽轮机，使发电机发 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。 经典示例 例 1 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( ) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀 235 的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式
12、反应与铀的质量无关 解析 要使铀核裂变产生链式反应， 铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块 的质量大于或等于临界质量，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能 直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积时则发生 链式反应，由此知 A、B、D 错误，C 正确。 答案 C 针对训练 1 (多选)1938 年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、 氪(Kr)、中子和一些 射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( ) A.这个实验的核反应方程是235 92U10n144 56Ba8936Kr310n B.这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
13、 C.实验中产生的 射线穿透能力极强 D.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算 解析 根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：235 92U10n 144 56Ba8936Kr310n，选项 A 正确；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，发生 质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项 B 错误，D 正确； 核反应中产生的 射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项 C 正确。 答案 ACD 核心要点 对轻核聚变的理解 问题探究 为什么实现核聚变要使聚变的核燃料加热到几百万开尔文的高温？ 答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强
14、相互 作用发挥作用，必须使核子间的距离达到 10 15 m 以内；两原子核相互靠近时要 克服库仑斥力做功，而由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需 要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。 探究归纳 1.核聚变的特点 (1)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。 (2)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 (3)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。 (4)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。 2.重核
15、裂变与轻核聚变的区别 反应方式 比较项目 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大约要大 34 倍 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 经典示例 例 2 (多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变 实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的 说法正确的是( ) A.“人造太阳”的核反应方程是21H31H42He10n B.“人造太阳”的核反应方程是235 92U10n141 56Ba
16、9236Kr310n C.根据公式 Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反 应大得多 D.根据公式 Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反 应相同 解析 2 1H31H42He10n 是轻核聚变方程，故 A 正确；根据轻核聚变特点，相同 质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故 C 正确。 答案 AC 针对训练 2 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( ) A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大 C.聚变反应中粒子的比结合能变小 D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质
17、量增加 解析 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多， 但平均每个核子释放 的能量一定大，故选项 A 错误，B 正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则 比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项 C、D 错误。 答案 B 1.(对核裂变的理解)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源， 其一种裂变反应为 235 92U10n144 56Ba8936Kr310n，下列说法正确的有( ) A.上述裂变反应中伴随着中子放出 B.铀块体积对链式反应的发生无影响 C.铀核的链式反应可人工控制 D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响 解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 正确；铀块体
18、积对链式反应的发生有影响，B 错误；铀核的链式反应可人工控制，C 正确；铀 核的半衰期不会受到环境温度的影响，D 错误。 答案 AC 2.(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦 3)，它是一种高效、 清洁、 安全的核聚变燃料， 其参与的一种核聚变反应的方程式为 232He211H42He， 关于32He 聚变下列表述正确的是( ) A.聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核 C.聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用32He 聚变反应发电 解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释 放，B 正确，A、C 错误；目前核电站大多采用重
19、核裂变的方法来释放与利用核 能发电，D 错误。 答案 B 3.(核聚变能量的计算)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能 量用来发电。氘核聚变反应方程是： 2 1H21H32He10n。已知21H 的质量为 2.013 6 u，32He 的质量为 3.015 0 u，10n 的质量为 1.008 7 u，1 u931 MeV/c2。氘核聚变 反应中释放的核能约为( ) A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 解析 氘核聚变反应的质量亏损为 m22.013 6 u(3.015 0 u1.008 7 u) 0.003 5 u，释放的核能为 Emc20.003 5931 MeV/c2c23.3 MeV，选项 B 正确。 答案 B 4.(核能的利用与环境保护)(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是( ) A.核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能 B.采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高 C.核燃料的危害主要是其具有放射性 D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能 解析 核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A 正确；“内爆法”难度 大，但材料利用率高，B 正确；放射性对人体和环境都有危害，C 正确；太阳发 光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D 错误。 答案 ABC