高中物理：5.4 核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护 课后限时训练（含答案）

核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
(建议用时：40分钟)
基础练
?题组一　对核裂变和链式反应的理解
1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核(　　)
A．一定是稳定的
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
2．(多选)用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪(Kr)并释放出中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19J)。以下说法正确的是(　　)
A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋n
B．U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
3．(多选)2020年11月8日，我国核潜艇第一任总设计师、中国工程院院士彭士禄荣获第十三届光华工程科技成就奖。核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，其中一种核反应方程为U＋n→X＋Sr＋10n，下列说法正确的是
(　　)
A．X有54个质子，78个中子
B．X的比结合能比铀核的小
C．释放的核能与质量亏损成正比
D．该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变
?题组二　对核聚变的理解
4．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，故反应后质量变大
5．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是 (　　)
A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2
6．(2021·湖南省长沙市模拟)2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程中，正确的核聚变反应方程是(　　)
A．H ＋ H→He ＋ n
B．U→Th ＋ He
C．U ＋ n→Ba ＋ Kr ＋ 3n
D．He ＋ Al→P ＋ 2n
?题组三　核电站与核反应堆
7．中国是核电大国，到2020年1月，已经建成19座核电站，核电站是利用原子核发生裂变反应时所产生的核能来进行发电的。关于原子核与核能，以下说法正确的是(　　)
A．组成原子核的核子之间只存在引力
B．核反应中由于核子数减少而导致质量亏损
C．比结合能越大的原子核越稳定，核子平均质量越小
D．核电站利用中等质量的原子核分裂成质量较小的原子核来获取核能
8．(多选)关于慢中子核反应堆，下列说法正确的是(　　)
A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B．快中子跟减速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．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
D．若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
9．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV。除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)。
(1)写出该核反应的反应方程式。
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV
提升练
10．(多选)在某些恒星内，3个α粒子结合成一个C，C原子的质量是12.000 0 u，He原子的质量是4.002 6 u，已知1 u＝1.66×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV，则(　　)
A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.007 8 u
B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.294 8×10－29 kg
C．反应过程中放出的能量约为7.266 MeV
D．反应过程中放出的能量约为1.16×10－19 J
11．(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)
A．U原子核中有92个质子，143个中子
B．U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋2n
C．U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
D．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
12．用中子轰击铀核(U)，其中一个可能的反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg，
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg，
试写出核反应方程，并算出反应中释放的核能。
13．(2020·山东省高二期末)太阳大约在几十亿年后，进入红巨星时期，其核心温度会逐渐升高。当温度升至某一温度时，太阳内部会发生氦闪：三个He生成一个C，瞬间释放大量的核能。已知C的质量是mc＝12.000 0 u，He的质量是mHe＝4.002 6 u，1uc2＝931.5 MeV，其中c为光速。根据以上材料，完成下面问题(结果保留三位有效数字)：
(1)写出氦闪时的核反应方程式；
(2)计算一次氦闪过程释放的能量；
(3)求4 kg的He发生氦闪时释放的能量相当于多少千克的标准煤燃烧释放的能量？(已知1 kg的标准煤燃烧释放的能量约为2.9×107 J，1MeV＝1.6×10－13 J)
参考答案：
基础练
?题组一　对核裂变和链式反应的理解
1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核(　　)
A．一定是稳定的
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
BD　[重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子时得到的能量大，故C错误；质子数不变，中子数会减少，故B正确；重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确。]
2．(多选)用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪(Kr)并释放出中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19J)。以下说法正确的是(　　)
A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋n
B．U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
BCD　[U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误，B正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，故C正确；ΔE＝200 MeV＝2×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，根据ΔE＝Δmc2，可知Δm＝＝ kg＝3.6×10－28 kg，故D正确。]
3．(多选)2020年11月8日，我国核潜艇第一任总设计师、中国工程院院士彭士禄荣获第十三届光华工程科技成就奖。核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，其中一种核反应方程为U＋n→X＋Sr＋10n，下列说法正确的是
(　　)
A．X有54个质子，78个中子
B．X的比结合能比铀核的小
C．释放的核能与质量亏损成正比
D．该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变
ACD　[根据核反应遵循质量数和核电荷数守恒，可知X为X，得其质子数为54个，中子数为132－54＝78个，故A正确；X是中等质量的核，比结合能大且稳定，故B错误；根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可知释放的核能与质量亏损成正比，故C正确；该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变，故D正确。故选ACD。]
?题组二　对核聚变的理解
4．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，故反应后质量变大
B　[聚变反应的比结合能大于裂变反应的比结合能，但参与的核子数目裂变大于聚变，故聚变反应释放的总能量不一定多，故A、C错误，B正确；由于聚变反应释放能量，发生质量亏损，故聚变后核的质量减少，故D错误。]
5．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是 (　　)
A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2
BD　[由核反应方程2H→He＋X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，故A、C错误，B、D正确。]
6．(2021·湖南省长沙市模拟)2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程中，正确的核聚变反应方程是(　　)
A．H ＋ H→He ＋ n
B．U→Th ＋ He
C．U ＋ n→Ba ＋ Kr ＋ 3n
D．He ＋ Al→P ＋ 2n
A　[核聚变反应是两轻核反应变成中等质量的核。H＋H→He＋n，是轻核聚变，故A正确；U→Th＋He，此核反应反应物只有一个原子核且生成物有氦核，属于α衰变，故B错误；U＋n→Ba＋Kr＋3n，此反应反应物和生成物都有中子，构成链式反应，且生成物至少有两个中等质量的核，故属于重核裂变，故C错误；He＋Al→P＋n，此反应是用α粒子轰击铝生成了同位素磷，是人工核转变，故D错误；故选A。]
?题组三　核电站与核反应堆
7．中国是核电大国，到2020年1月，已经建成19座核电站，核电站是利用原子核发生裂变反应时所产生的核能来进行发电的。关于原子核与核能，以下说法正确的是(　　)
A．组成原子核的核子之间只存在引力
B．核反应中由于核子数减少而导致质量亏损
C．比结合能越大的原子核越稳定，核子平均质量越小
D．核电站利用中等质量的原子核分裂成质量较小的原子核来获取核能
C　[组成原子核的核子之间存在核力的作用，核力有时表现为斥力，有时表现为引力，选项A错误； 核反应中核子数并没有减少，由于核子的平均质量减少而导致质量亏损，选项B错误；比结合能越大的原子核越稳定，核子平均质量越小，选项C正确；核电站利用质量较大的原子核分裂成两个或两个以上中等质量核来获取核能，选项D错误。故选C。]
8．(多选)关于慢中子核反应堆，下列说法正确的是(　　)
A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B．快中子跟减速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．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
D．若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
BC　[铀235更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量，从而更易让铀235吸收引起裂变反应，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收的中子多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。]
9．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV。除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)。
(1)写出该核反应的反应方程式。
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV
[解析]　(1)核反应方程为：H＋H→He＋n。
(2)质量亏损为：Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为：
ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV。
(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2。反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和He核动能分别为E1、E2，根据动量守恒定律得m1v1－m2v2＝0，＝∶＝＝3，则E2＝＝1.04 MeV
由能量的转化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，
解得E0＝0.45 MeV。
[答案]　(1)H＋H→He＋n
(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV
提升练
10．(多选)在某些恒星内，3个α粒子结合成一个C，C原子的质量是12.000 0 u，He原子的质量是4.002 6 u，已知1 u＝1.66×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV，则(　　)
A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.007 8 u
B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.294 8×10－29 kg
C．反应过程中放出的能量约为7.266 MeV
D．反应过程中放出的能量约为1.16×10－19 J
ABC　[其反应方程是3He→C。其质量亏损为Δm＝(3×4.002 6－12.000 0)u＝0.007 8 u，A正确；Δm＝0.007 8×1.66×10－27 kg＝1.294 8×10－29 kg，B正确；ΔE＝0.007 8×931.5 MeV≈7.266 MeV，C正确；ΔE≈7.266×106×1.6×10－19 J≈1.16×10－12 J，D错误。]
11．(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)
A．U原子核中有92个质子，143个中子
B．U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋2n
C．U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
D．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
ABD　[由U的质量数和电荷数关系易知A正确；由核反应方程中核电荷数守恒和质量数守恒知B正确；半衰期不受外界因素干扰，只与核本身有关，C错误；因为200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，D正确。]
12．用中子轰击铀核(U)，其中一个可能的反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg，
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg，
试写出核反应方程，并算出反应中释放的核能。
[解析]　此铀核裂变方程为
n＋U→Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg，
由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(2.997 9×108)2 J≈3.215 7×10－11 J。
[答案]　n＋U→Ba＋Kr＋3n
3．215 7×10－11 J
13．(2020·山东省高二期末)太阳大约在几十亿年后，进入红巨星时期，其核心温度会逐渐升高。当温度升至某一温度时，太阳内部会发生氦闪：三个He生成一个C，瞬间释放大量的核能。已知C的质量是mc＝12.000 0 u，He的质量是mHe＝4.002 6 u，1uc2＝931.5 MeV，其中c为光速。根据以上材料，完成下面问题(结果保留三位有效数字)：
(1)写出氦闪时的核反应方程式；
(2)计算一次氦闪过程释放的能量；
(3)求4 kg的He发生氦闪时释放的能量相当于多少千克的标准煤燃烧释放的能量？(已知1 kg的标准煤燃烧释放的能量约为2.9×107 J，1MeV＝1.6×10－13 J)
[解析]　(1)核反应方程为3He→C。
(2)由题可知，在此核反应的瞬间会释放大量的的核能，所以这个核反应瞬间会有质量亏损。那么氦闪过程中质量亏损Δm＝3mHe－mc＝0.007 8u
由爱因斯坦质能方程E＝mc2得，
释放的能量为ΔE＝Δmc2
解得ΔE≈7.27 MeV。
(3)设4 kg的He的物质的量为n，
则n＝，M＝4 g/moL
设4 kg的He中含有He的个数为N，
则N＝nNA，NA＝6.02×1023
结合核反应方程，反应释放总能量为E＝·ΔE
设对应标准煤的质量为m0，则m0＝
联立解得m0≈8.05×106 kg。
[答案]　(1)3He→ C　(2)7.27 MeV (3)8.05×106 kg