《核裂变与核聚变》课件

第五章原子核4核裂变与核聚变学习目标学法与考法1．知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件(重点)2．知道核聚变，了解受控聚变反应(重点)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(重难点)学法：①通过学习核裂变，知道链式反应发生的条件，了解裂变反应堆的工作原理和常用裂变反应堆的类型．②通过学习核聚变，了解聚变反应的特点及其条件考法：①对链式反应、重核裂变的理解及核反应方程式的书写的考查．②对聚变反应的特点、条件及核反应方程式的书写的考查．③对核裂变与核聚变释放核能计算的考查知识导图课前·

自主预习1．重核的裂变(1)核裂变：用_______轰击铀核，铀核分裂成质量________的两部分，并释放出能量的核反应过程叫作核裂变．(2)裂变能：核裂变________出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．核裂变是释放核能的方法之一．(3)铀核裂变的产物多种多样，其中有代表性的有：核裂变中子相近释放链式反应最小临界体积中子源原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程吗？核裂变的条件是什么？【答案】原子核释放粒子的过程不是核裂变的过程．核裂变的条件是发生链式反应．【答案】ACD1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：________.(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、重水或普通水作慢化剂．(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉___________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．核电站反应堆铀棒石墨吸收中子2．工作原理：核燃料________释放能量，使反应区温度升高．3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外____________，用于发电．4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的__________，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的__________，需要装入特制的容器，深埋地下．裂变循环流动水泥层放射性核反应堆可以人工控制核反应速度吗？减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子吗？【答案】核反应堆可以人工控制核反应速度．减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子，从而使更多的铀核产生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(

)A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小【答案】ABD【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错误；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．核聚变与受控热核反应质量较大能量10－15m温度热核反应(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是________，需要用_________爆炸产生的高温高压引发核爆炸．(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_________释放的核能．2．受控热核反应(1)聚变的优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．氢弹原子弹核聚变(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．(3)控制方法．①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是________．②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．环流器激光轻核发生聚变反应需要什么条件？太阳中发生的是可控热核聚变反应吗？【答案】轻核发生聚变反应需要高温．太阳中发生的是不能实现人工控制的轻核聚变．(多选)以下说法正确的是 (

)A．聚变是裂变的逆反应B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应D．裂变反应的速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变的反应速度【答案】CD【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，A错误．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，B错误．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，C正确．现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，D正确．课堂·

重难探究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2或3个中子，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．探究重核裂变反应3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．例1关于重核的裂变，以下说法正确的是 (

)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对重核裂变的理解变式1

2021年1月21日中广核集团在深圳召开2021年度媒体通报会，会议指出，2020年度中广核24台核电机组保持安全稳定运行，世界核运营者协会WANO指标中，72.6%的指标达到世界先进水平，平均能力因子连续三年保持92%以上，其中宁德核电2号机组全部WANO指标达到卓越值．以下关于核能的说法，正确的是 (

)A．宁德核电2号机组的核能是利用轻核聚变B．原子核的比结合能越大原子核越稳定C．重核裂变是重核分裂成中等大小的核，核的比结合能减小D．重核裂变反应中亏损的质量变成了能量【答案】B【解析】当今所有投入运营的核电站用的都是重核裂变，A错误；原子核比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定，B正确；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核的比结合能增大，C错误；核裂变反应中释放核能有质量亏损，质量与能量之间存在一定的关系，但不是质量转变为能量，D错误．裂变中核能的计算解：(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3×1＝90.(2)方法一：质量亏损Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u.一个铀核裂变释放能量ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV.方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg≈3.6×10－28kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11J.重核裂变中核能的计算方法解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来．另外，在计算过程中要注意单位的统一．1．核反应堆的组成核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫作“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是由石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．核电站2．核反应堆与原子弹爆炸的比较原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．3．核电站发电的主要原理核燃料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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．例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对原子核反应堆的理解【答案】C【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确．变式3

(多选)如图是核电站工作流程图，关于核能，下列说法正确的是

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)A．核反应堆可以把核能直接转化为电能B．核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量C．核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能D．水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线【答案】CD【解析】核反应堆把核能转化为内能，再转化为电能，A错误；核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量，B错误；核反应堆中发生核反应要放出热量，则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能，C正确；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线，D正确．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10－15m，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．探究核聚变反应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．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核反应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倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多核反应重核裂变轻核聚变原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它例4

(多选)下列说法正确的是 (

)A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B．要使轻核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D．热核反应只有在人工控制下才能发生对核聚变的理解【答案】AB【解析】由质能方程可知，A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错误．变式4

(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是 (

)A．要使聚变反应发生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．自然界中不存在天然的热核反应【答案】ABC【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．对轻核聚变理解的两个误区1．误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透彻，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．2．不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这是由对以上核反应方程的理解不深刻造成的．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．例5一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.0073u，中子质量mn＝1.0087u，氚核质量m＝3.018u.(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能有多大？(3)平均每个核子释放的能量有多大？聚变中核能的计算1．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．2．核能的计算关键是求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算．小练·

随堂巩固随堂检测1.(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是(

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