《核裂变与核聚变》课件

4.核裂变与核聚变第五章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件。(物理观念)2.了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。(物理观念)3.掌握核聚变的定义及发生条件。(物理观念)4.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。(科学思维)思维导图课前篇自主预习必备知识一、核裂变1.核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新核,并放出核能的过程。2.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,其中一种典型的反应是3.链式反应由重核裂变产生的中子使核裂变反应再一代接一代继续下去的过程。4.链式反应的条件发生裂变物质的体积大于临界体积,裂变物质的质量大于临界质量。二、核电站1.核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。2.慢化剂反应堆中,为了使裂变产生的快中子减速,在铀棒周围要放“慢化剂”,常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。3.控制棒为了控制反应速度,还需要在铀棒之间插进一些镉棒,它吸收中子的能力很强,反应过于激烈时,可将其插入深一些,多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,这种镉棒叫作控制棒。4.能量输出核燃料发生核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,用于发电。5.核能发电的效益一座百万千瓦级的核电站,每年只消耗30t左右的浓缩铀,而同样功率的火电站,每年要烧煤2.5×106t。

6.核污染的处理为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染,在反应堆外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下。三、核聚变1.定义两个轻核结合成质量较大的核的反应。2.条件(1)轻核的距离要达到10-15m以内。

(2)聚变可以通过高温(几百万开尔文)来实现,因此又叫热核反应。3.核反应举例(1)目前,热核反应主要应用在核武器上,如氢弹。(2)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。(3)典型的核聚变:一个氘核和一个氚核的聚变,该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3~4倍。4.聚变与裂变相比有很多优点(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。5.实现核聚变的方法(1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。(2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束,环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(

)答案

×解析

铀核的裂变是用中子轰击铀核发生的人工核反应。(2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。(

)答案

√(3)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(

)答案

×解析

速度与热运动速度相当的中子最适宜引发核裂变。(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。(

)答案

√(5)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。(

)答案

×解析

铀核的裂变产物常见的是二分裂钡和氪,不常见的有三分裂和四分裂。(6)核反应堆用过的核废料无毒无害。(

)答案

×解析

核反应堆用过的核废料钡和氪都有放射性,污染环境。(7)核聚变时吸收能量。(

)答案

×解析

核聚变时发生质量亏损,释放能量。(8)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。(

)答案

√(9)轻核聚变比裂变更安全、清洁。(

)答案

√(10)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度。(

)答案

√2.(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(

)A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应答案

BC解析

用中子轰击

等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。3.(多选)以下核反应方程中属于核聚变的是(

)答案

ACD解析

轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为核聚变。故A、C、D正确。4.(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(

)A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能答案

ABD解析

铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态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,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。课堂篇探究学习探究一核裂变情境探究1.秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站,地处浙江省嘉兴市海盐县。秦山核电站1991年12月15日并网发电,1994年投入商业运营。经过多年的安全稳定运行,秦山地区尚未发现因核电站运行引起的放射性污染,周围地区民众对秦山核电厂运行给予了良好的评价。秦山核电站的建成发电,结束了中国大陆无核电的历史,实现了零的突破,使我国成为继美、英、法、俄、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。核能与常规能源相比,具有哪些优势?要点提示

核原料提供的能量巨大,核原料的储量丰富,核原料的运输和储存方便,核电站具有清洁卫生、对环境的污染小、成本低、可采储量大的优点。2.如图所示为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗?(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?要点提示

重核的裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。知识归纳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,同时放出两或三个中子,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。(3)常见的裂变方程:2.链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。闪光语录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。

实例引导例1(山东泰安四模)核电站利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。反应堆中的核反应方程式为

已知铀核的质量mU,中子的质量mn,锶(Sr)核的质量mSr,氙(Xe)核的质量mXe,光在真空中的传播速度为c。则(

)A.Z=38,A=136B.Z=48,A=146答案

A解析

根据电荷数守恒和质量数守恒可得:A=235+1-90-10=136,电荷数为Z=92-54=38,故A正确,B错误;质量亏损Δm=mU-mSr-mXe-9mn,根据质能方程可得释放的核能ΔE=Δmc2=(mU-mSr-mXe-9mn)c2,故C、D错误。规律方法

裂变问题的分析方法1.对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。2.根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。变式训练1(河南洛阳模拟)原子弹和核能发电的工作原理都是核裂变。一种典型的铀核裂变的核反应方程是,则下列说法正确的是(

)A.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数减少B.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量不变C.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量减少D.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数增加答案

C解析

铀核裂变反应过程中,质量数守恒,X的质量数235+1-89-3=144,可知X原子核中含有144个核子;电荷数守恒,92-36=56,所以X中的中子数为144-56=88,即X原子核中含有88个中子,在核反应的过程中,质量数是守恒的。总质量数既不减小,也不增加,存在质量亏损,故C正确,A、B、D错误。探究二反应堆与核电站情境探究1.16世纪初,麦哲伦完成了环球旅行,但损失惨重。四个世纪后,有核潜艇也环绕地球一周,不过这次航行全部在水下进行,为什么核潜艇有如此强大的航海本领?要点提示

核潜艇是利用核反应堆作为动力装置,核反应堆和蒸汽发生器装在舰体的堆仓内,核反应堆靠裂变释放大量的能量,使冷却水达到较高的温度,在蒸汽发生器里产生蒸汽,驱动装在机舱内的蒸汽轮机推动核潜艇前进,由于反应堆运行不需要来自水面上的空气,所以核潜艇能够长时间在水下航行。2.下图为核电站工作流程示意图。

(1)核电站的核心设施是什么?(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的?要点提示

(1)核电站的核心设施是核反应堆。(2)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。知识归纳1.核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆,它的主要部件列表如下:部件名称铀棒慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料浓缩铀235石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用核燃料降低中子速度,便于铀235吸收吸收中子,控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线,防止放射性污染2.反应堆的工作原理核反应释放的能量通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。3.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少。(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。(3)对环境的污染要比火力发电小。实例引导例2

利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电,这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少,但功率却很大,目前,核能发电技术已经成熟,我国已经具备了发展核电的基本条件。(2)一座100万千瓦的核电站,每年需要多少浓缩铀?已知铀核的质量为235.0439u,氙核质量为135.9072u,锶核的质量为89.9077u。1u=1.66×10-27kg,中子的质量为1.0087u,浓缩铀中铀235的含量占2%。(结果保留两位有效数字,NA=6.02×1023mol-1)ΔE=Δmc2=(235.043

9-89.907

7-135.907

2-9×1.008

7)×1.66×10-27×(3×108)2

J=2.25×10-11

J变式训练2如图是慢中子反应堆的示意图,对该反应堆,下列说法中正确的是(

)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答案

B解析

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,选项B正确,A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,选项C、D错误。探究三核聚变情境探究万物生长靠太阳,太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,如果太阳没有了,那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗?要点提示

来源于太阳内部的核聚变反应。

知识归纳1.聚变发生的条件、方法(1)条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离为10-15m。(2)方法:把轻核加热到几百万开尔文的高温。2.核聚变方程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

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,放出核能产能效率平均每个核子释放约1MeV能量,产能效率较低平均每个核子释放约3~4MeV能量,产能效率较高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%主要原料是氘和氚,氘和氚在地球上的储量非常丰富比较项目重核裂变轻核聚变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闪光语录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。实例引导例3(北京朝阳区二模)太阳能源于其内部的聚变反应,太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核,太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026J,下列说法正确的是(

)A.该聚变反应在常温下也容易发生B.太阳每秒钟减少的质量约4.4×109kgD.目前核电站采用的核燃料主要是氢核

答案

B变式训练3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.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大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,故反应后质量增大答案

B解析

在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误。1．(多选)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，但不一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小D．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】BD【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，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．释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，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