1、学案 2 裂变及其应用 学案 3 聚变与受控热核反应 学案 4 核能利用与社会发展 学习目标定位 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生 条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量.4.了解核能的优越性， 核电站的安全性能及核废料的处理 1核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒 2核能运算：Emc2. (1)若 m 单位为 kg，则 E 的单位为 J； (2)若 m 单位为 u，则 E 的单位为 MeV，可直接利用 Em931.5 MeV 计算核能 3重核的裂变 (1)核裂变：重核被中子轰击后分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子，并放出
2、核 能的过程 (2)链式反应：铀核裂变时，通常会放出 2 到 3 个中子，这些中子可以作为新的 “炮弹” 轰击 其它的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应 (3)发生链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大 于等于临界质量 4裂变反应堆 (1)裂变反应堆是核电站的心脏它是一种用人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓 地释放出来 (2)裂变反应堆的基本结构 裂变材料：铀棒； 慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水(也叫轻水) 作 慢化剂； 控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度； 反射层：一般用
3、石墨做材料，阻止中子逃逸； 热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去； 防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及 12 m 厚的钢筋混凝土构成 5裂变反应堆的常见类型 (1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆 (2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆 (3)快中子增殖反应堆：以铀235 作为主要裂变材料的反应堆其最大特点是可以合理利 用有限的铀资源，使核燃料增殖 6核电站的工作模式 以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电 7核聚变 (1)定义：使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时释放核能 (2)核反应举例： H H He n17.6 M
4、eV.21 31 42 10 (3)聚变的条件：必须使原子核的距离达到 1015 m 以内，为此必须有几千万开以上的高 温才行，所以，聚变又叫热核反应 8受控热核反应 (1)“托卡马克”：是一种利用强磁场约束等离子体的环流器 (2)激光聚变的构想：1964 年，我国著名物理学家王淦昌与苏联科学家各自独立地提出了激 光聚变的构想，即用高功率的激光束打在氘、氚的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚 变 9核能的优越性 (1)核燃料提供的能量巨大 (2)核燃料的储量丰富 (3)核燃料的运输和储存方便 (4)清洁卫生，对环境的污染小 10核安全性与核废料处理 (1)核电站的安全性能：为了防止放射性物质的泄
5、漏，核电站设置了 4 道安全屏障 第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块 第二道屏障：锆合金包壳 第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界 第四道屏障：安全壳 (2)核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放 射性废料和其他途径产生的核废料. 一、核裂变和链式反应 问题设计 阅读课本“铀核的裂变” ，说明： (1)铀核裂变是如何发生的？ (2)重核裂变在自然界中能自发进行吗？ 答案 (1)铀核裂变的发生 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 核子分裂：核子间的距离增大，因而核
6、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 23 个中子，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)不能重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生铀核裂变 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，这样形成了链式反应 要点提炼 1铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中两种典型的反应是： U n Ba Kr3 n； U n Xe Sr10 n.23592 10 14456 8936 10 23592 10 13654 9038 10 2链式
7、反应的条件 (1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量 (2)中子的“再生率”要大于 1. 例 1 关于铀核裂变，下列说法正确的是( ) A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核 B铀核裂变时还能同时释放 23 个中子 C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀 235 D铀块的体积对产生链式反应无影响 解析 铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性， 但裂变成两块的情况比较多，也有的裂变成多块，并放出几个中子，铀 235 受中子的轰击 时，裂变的概率大，而铀 238 只有俘获能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的
8、几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故 B、C 正确 答案 BC 二、裂变过程中核能的分析与计算 问题设计 重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？答案 用中子轰击铀核时，使 该核变成处于激发状态的复核，从而重核裂变成两个原子核，并释放能量获得核能的主 要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变 要点提炼 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 m. 2根据 Emc2 计算释放的核能 计算时注意 m 与 E 单位的对应关系，若 m 用 kg 做单位，E 用 J 做单位；若 m 用 u 做单位，E 用 MeV 做单位，1 u 相当于 931.5 MeV 的
9、能量 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)， 从而得出铀块裂变释放的核能 EnE. 例 2 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： U n NdZr 3( n)8( e)23592 10 14360 10 0 1 (1)核反应方程中的 是中微子，它不带电，质量数为零试确定生成物锆(Zr)的电荷数与 质量数； (2)已知铀(U)核的质量为 235.049 3 u，中子质量为 1.008 7 u，钕(Nd)核质量为 142.909 8 u， 锆核质量为 89.904 7 u又知 1 u 相当于 931.5 MeV，试计算一次核裂变中释放的核能； (3
10、)试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量 解析 (1)根据核反应中质量数和电荷数守恒知，锆的电荷数 Z9260840，质量数 A236143390，核反应方程式中应用符号 Zr 表示904 (2)核反应前后的质量亏损为 m mUmnmNdmZr3mn0.217 4 u Emc2 0.217 4931.5 MeV202.508 1 MeV (3)1 kg 铀 235 中的铀核数为 n 6.021023 个2.561024 个 1 000235 1 kg 铀 235 完全裂变产生的能量 EnE2.561024202.508 1 MeV 5.181026 MeV8.291013 J 答案 (
11、1)40 90 (2)202.508 1 MeV (3)5.181026 MeV(或 8.291013 J) 三、核聚变发生的条件及特点 要点提炼 1从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应 2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 1015 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，使物质达到几千万开尔文以上的高温 3重核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
12、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 聚变反应的核废料的处理要比裂变反应的处理简单得多 例 3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反 应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源 (1)写出这个核反应方程 (2)这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为 3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (mp1.007 3 u，mHe 4.001 5 u，me 0.000 55 u) 解析 (1)核反应方程 4 H He X，而 X 只能是 2 个正电子因此核反应方
13、程应为1 42 02 02 4 H He2 e.1 42 0 1 (2)反应前的质量 m14mp41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量 m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u，m m1 m2 0.026 6 u，由质能方程得，释放能量 Emc2 0.026 6931.5 MeV24.78 MeV. (3)由质能方程 Emc2 得每秒减少的质量 m kg4.2109 kg. Ec2 3.8102631082 答案 (1)4 H He2 e (2)24.78 MeV1 42 0 1 (3)4.2109 kg 裂变聚变Error! 1关于重核的裂变，
14、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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少 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 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发 生核反应，是核能转化为其他形式能的过程因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸 收的能量的链式反应是有条件的，即铀块的体积必须不小于其临界体积如果体积小， 中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生在裂变反应中核子
15、数是不 会减少的，如 U 裂变为 Sr 和 Xe 的核反应，其核反应方程为： U n Sr23592 9038 13654 23592 10 9038 Xe10 n13654 10 其中各粒子质量分别为 mU235.043 9 u，mn1.008 67 u mSr89.907 7 u，mXe 135.907 2 u 质量亏损为 m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.151 0 u 可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项 A、B、C 均错误重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量 亏损，从而释放出核能综上所述，选项 D 正确 2关于聚
16、变，以下说法正确的是( ) A两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量 B同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多 C聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积 D发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能 答案 BD 3为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程 Emc2，科学家用中子轰击硫原 子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较， 精确验证了质能方程的正确性，设捕获中子前的原子质量为 m1，捕获中子后的原子质量为 m2，被捕获的中子质量为 m3，核反应过程放出的能量为 E，则这一实验需验证的关系式 是
17、( ) AE(m1 m2m3)c2 BE(m1m3m2)c2 CE(m2m1m3)c2 DE(m2 m1m3)c2 答案 B 解析 反应前的质量总和为 m1m3 ，质量亏损 mm1m3m2，核反应释放的能量 E(m1m3m2)c2，选项 B 正确 4一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量 mH1.007 3 u，中子质量 mn1.008 7 u，氚核质量 m3.018 0 u. (1)写出聚变方程； (2)求释放出的核能； (3)求平均每个核子释放的能量 答案 (1) H 2 n H (2)6.24 MeV1 10 31 (3)2.08 MeV 解析 (1)聚变方程 H2 n H.1 10 31 (2)质量亏损 mmH2mn m(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u， 释放的核能 E0.006 7931.5 MeV 6.24 MeV (3)平均每个核子放出的能量为 E MeV2.08 MeV 6.243
