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第7节 核能
考点一、核能
原子由原子核和核外电子构成，而原子核又由质子和中子构成，质子带正电荷，中子不带电，对于原子来说，质子和中子几乎集中了原子的全部质量，却挤在原子中心非常小的空间内，构成很小的原子核，这使得原子核分裂或重新组合极其困难，但是一旦使原子核分裂或聚合，就可释放出惊人的能量。
（一）核能的概念
原子核是可以转变的，原子核在转变过程中所释放出的能量叫做核能。核裂变和核聚变是获得核能的两种途径。
（二）裂变
(1)含义:核裂变是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放出巨大能量的现象。如中子轰击铀235，铀核就会分裂成2个新核，并释放出能量，同时产生几个新的中子，1千克铀全部裂变，释放的能量超过2000吨煤完全燃烧释放的能量。
(2)链式反应:每个铀核裂变时会产生几个中子，这些中子又会继续轰击其他铀核，使其他铀核裂变并产生更多的中子，这样就会导致一系列铀核持续裂变，产生链式反应，如图所示。快速的裂变反应可以引起猛烈的爆炸，原子弹就是利用快速裂变制成的，我们]还可以控制链式反应的速度，把核能用于和平建设事业。“核反应堆”就是控制裂变反应的装置。
(3)应用:原子弹、核电站都是根据核裂变的原理制成的。原子弹属于不加控制的链式反应；核电站属于可控制的链式反应。
（三）聚变
(1)含义:2个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核，同时释放出能量的现象。由于核聚变需要极高的温度，所以核聚变也叫热核反应。
如图所示，氘核(1个质子和1个氘核中子)和氚核(1个质子和2个中子)在超高温下聚合成新的原子核一氦核，并释放出1个中子，同时释放巨大的能量。
(2)释放能量情况:质量相同的核燃料，核聚变反应释放的核能比核裂变反应释放的核能要多得多。
(3)应用:氢弹是根据核聚变的原理制造的，它的威力比原子弹大得多。太阳的内部在不停地发生这种核聚变，从而向外释放出巨大的能量。
典例1：（2022·浙江杭州·九年级阶段练习）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，在成都建成并实现首次放电，这意味着我国在可控核聚变技术领域走向了世界前列。下列说法不正确的是( )
A．新一代“人造太阳”的原理与氢弹的原理相同
B．目前核电站是利用核裂变反应发电的
C．任何原子内部都有原子核，所以利用任何物质都能获得核能
D．超高温是核聚变反应需要满足的条件之一
【答案】C
【解析】A．“人造太阳”内部都进行着大规模的聚变反应，并以光和热的形式将核能辐射出来，氢弹是利用核聚变原理制成的，新一代“人造太阳”的原理与氢弹的原理相同，故A正确，不符合题意；
B．核电站核心设备是核反应堆，核电站反应堆中发生的是可控制的核裂变，故B正确，不符合题意；
C．目前人们获得核能的途径主要是为数极少的放射性物质的裂变和氢的同位素及氦原子的聚变，不是所有的物质都能发生核反应的，故C错误，符合题意；
D．核聚变反应需要超高温和超高压的条件，故D正确，不符合题意。故选C。
变式1：（2022·浙江温州市南浦实验中学九年级开学考试）今年8月，美国国家点火装置（NIF） 利用激光束会聚在含有氢同位素氘和氚的胶囊上，激光输入的能量是1.9千焦，得到输出能量1350千焦。这个实验结果被誉为人造小太阳，那么胶囊中发生的变化是（ ）
A．化学反应 B．链式反应 C．核聚变 D．核裂变
【答案】C
【解析】核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。根据题意可知，胶囊中发生的变化是核聚变。
变式2：（2022·浙江湖州·中考真题）2021年10月14日，“羲和号”探日卫星顺利升空，实现了我国太阳探测零的突破。
（1）太阳是一颗___________（选填“恒星”或“行星”）。
（2）太阳的巨大能量是内部___________（选填“核聚变”或“核裂变”）产生的。
（3）“羲和号”运行在距离地面大约517公里的太阳同步轨道上。如果你是“羲和号”的设计师，根据其工作环境，设计时需要考虑哪些方面？___________
【答案】恒星 核聚变 耐高温、防辐射等
【解析】（1）太阳是一颗发光、发热的气体星球，属于恒星。
（2）太阳能内部是由于较轻的氢原子核在高温下发生聚变而释放出核能。
（3）“羲和号”运行在距离地面大约517公里的太阳同步轨道上，距离太阳很近，所以需要的考虑耐高温、防辐射等。
变式3：（2022·浙江嘉兴·九年级期末）2020年12月，“嫦娥五号”探测器在月球上采集了1731克月壤（其中约900克取自月表）。月壤中含有的“氦-3”（He-3）被科学家们称为“完美能源”，据科学家估算10吨“氦-3”就能满足我国一年所需的能源需求。
（1）使用“氦-3”作为能源，需通过__________（选填“轻核聚变”或“重核裂变”）释放其内部的核能；
（2）采集器把这900克月表的月壤放入距月表1米高的收集器中，采集器克服重力做了多少功_____________？（已知物体在月球表面受到的重力是地球上的）
（3）在返回过程中，“嫦娥五号”上升器发动机以向上3000牛的力工作6分钟，成功将携带样品的上升器送入到离月球表面高度约为15千米的预定环月轨道。则“嫦娥五号”上升器发动机的功率至少多大__________？
【答案】轻核聚变 1.5J 1.25×105W
【解析】（1）[1]由两个较轻的核生成一个较重的核的过程属于聚变，使用“氦-3”作为能源，通过使用“氦-3”作为能源，释放其内部的核能。
（2）[2]月壤在月球上所受重力
采集器克服重力做功W=Gh=1.5N×1m=1.5J
（3）[3]上升器发动机做的功W发=F发s=3000N×15000m=4.5×107J
上升器发动机的功率
考点二、核电站
（一）核电站的原理
(1)核反应堆:可控制地进行核反应的装置，称为核反应堆。核反应堆是核电站核心部分，它以铀为核燃料。
(2)核电站原理:利用核反应堆提供能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电。
反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能,通过汽轮机带动发电机发电，内能转化为机械能,再转化为电能。核电站的工作过程:第一回路中的水被泵压人反应堆，在那里被加热，然后进人热交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回到反应堆里；在热交换器内，第二回路的水经加热生成高温高压蒸汽，被送入汽轮机驱动汽轮机做功后温度降低、压强减小，进人冷凝器，最后又由水泵把它压回热交换器。高速旋转的汽轮机带动发电机发电。
(3)核电站的能量转化:核电站并非将核能直接转化为电能。目前人类使用的电能大多数是通过发电机发出的，而发电机是把机械能转化为电能的装置，所以核电站必须把核能通过某些途径转化为机械能，再通过发电机转化为电能。核反应堆以铀235为燃料，反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机做功，将内能转化为机械能，带动发电机发电，将机械能转化为电能。
（二）核电站的特点
(1)消耗燃料少，废渣也少,产生的能量巨大，可以大大减少燃料的运输量。
(2)特别适合于缺少煤、石油和水力资源的区域。
(3)核电站需防止放射性物质泄漏造成的放射性污染，因此必须采用可靠的保护措施，同时要处理好废渣。
(4)成本低，一些发达国家的核电已占相当大的比例，我国的核电事业发展得也很快。
（三）太阳能
(1)在太阳内部，氢原子核在超高温下发生核聚变。
(2)太阳的巨大能量是内部核聚变产生的。
(3)大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去,其中有一部分到达地球表面。
典例1：（2022·浙江衢州·九年级期末）“华龙一号”是我国自主研发的核电机组，安全等级高。该机组利用核能的途径可以用图________（选填“甲”或“乙”）表示，这个过程________（选填“属于”或“不属于”）化学变化。
【答案】甲 不属于
【解析】[1]目前核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的，图甲是核裂变的链式反应，用图甲表示。
[2]核电机组发电的过程是将核裂变产生的核能，不是原子内部的化学反应释放出来的能量，不是化学变化。
变式1：（2022·浙江绍兴·九年级期末）关于核电站，小科总结了以下四种说法，其中正确的是（ ）
A．核电站是利用氢核的聚变产生的能量来发电的
B．核电站的核心是利用核反应堆控制核能平稳地释放
C．核电站的反应堆中放出的核能可以直接转化为电能
D．核电站产生的废料可以直接排放到大海中
【答案】B
【解析】A．核电站是利用原子核裂变产生的能量来发电的，故A错误；
B．核反应堆是控制重核裂变速度，使核能缓慢地平稳地释放出来的装置，故B正确；
C．通过核反应堆把核能转化为内能，得到高温的水蒸气，水蒸气推动汽轮机转动，把内能又转化为机械能；汽轮机再带动发电机发电，得到电能，故C错误；
D．核电站产生的废料如果直接排放到大海中，会造成核污染，故D错误。
变式2：（2022·浙江·宁波市第七中学九年级阶段练习）据美国《防务新闻》网站3月9日报道，五角大楼已签署3份合同，开始进行移动式小型核反应堆的设计工作。移动式小型核反应堆也可以用于发电，核能发电利用了_______原理（请选填“核裂变”或“核聚变”）；反应堆冷却系统采用水冷方式是利用_______（请选填“做功”或“热传递”）的方式来改变内能；发电机是利用_______原理工作的。
【答案】核裂变 热传递 电磁感应
【解析】[1]由于核裂变是可控的，故核电站中的核反应堆就是通过核裂变过程中释放核能带动发电机发电的；
[2]冷却系统采用水冷方式是利用热传递的方式来改变内能；
[3]发电机是利用电磁感应原理工作的。
变式3：（2022·浙江龙泉市民族中学九年级期末）核电站是利用核反应堆提供能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电的。甲是核电站的原理示意图，乙是两种核反应示意图。
（1）核电站核反应堆利用的是__________所示的核反应（填“A”或“B”）；
（2）根据核电站原理图，请在方框内完成核电站发电过程中能量转化流程图）____：
（3）核电站在运行过程中会产生大量的热，常用水作冷却剂，这是利用了水__________的性质，所以核电站一般建在海边。
【答案】A 机械能 比热容较大
【解析】（1）[1]核裂变和核聚变都能释放能量，核裂变又分为可控制核裂变和不可控制的核裂变，而核电站是利用可控制的原子核裂变产生的能量来发电的，由图乙知道，A符合题意。
（2）[2]核电站发电过程：核能先转化为水的内能，水受热以后温度上升会产生大量的水蒸气，水蒸气会推动蒸汽轮机转动，将内能转化为机械能，蒸汽轮机又带动发电机转动，最后发电机将机械能转化为电能。
（3）[3]用水来冷却主要是因为水的比热容较大，相同条件下，水吸收的热量更多。
考点三、放射性
（一）放射性
早在100多年前，科学家贝克勒尔、居里夫妇等发现铀、钍、镭等元素能够自发地放出穿透能力很强的射线。居里夫人把元素具有的这种辐射能力叫做放射性。
原子核的裂变和聚变都会产生些放射性物质，这些物质的原子核内部会向外辐射出肉眼看不见的、能量很高的射线，如a射线、β射线和γ射线。
（二）三种主要的放射线
射线 组成 穿透本领
a射线 带正电的高速运动的氦原子核 最弱，在空气中只能前进几厘米
β射线 带负电的高速运动的电子流 较强，很容易穿透黑纸，还能穿透几厘米厚的铝板
γ射线 能量很高的电磁波 很强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
（三）放射性的利与弊
(1)利:少量的放射线可以为人类服务，如r射线可以对机械设备进行探伤；可以使种子变异，培育出新的优良品种；利用放射线可以杀菌。医疗上利用γ射线可以治疗肿瘤等疾病。
(2)弊:过量的高能量的放射线照射对人体和动植物的组织有破坏作用。
典例1：（2021·浙江·九年级专题练习）以下对于放射线的说法正确的是（ ）
A．放射线无污染，无公害，使用时十分安全简单
B．利用放射线时，要进行有效的防护和防止污染
C．放射线对人畜伤害严重，有弊无利，难于利用
D．α射线和β射线是有益的，而γ射线是有害的
【答案】B
【解析】A、各种放射线达到一定的强度会对各种生物都造成严重影响，选项错误；
B、利用放射线时，要进行有效的防护和防止污染，选项正确；
C、放射线对人畜虽然有伤害，但也有一定的益处，即有利有弊，选项错误；
D、α射线、β射线和γ射线对人类来说，都是有利有弊的，利用放射线时，要进行有效的剂量控制、严格防护和防止污染，选项错误；
变式1：（2021·浙江·九年级专题练习）关于核能的应用，下列说法中不正确的是( )
A．人类利用核能的途径是核裂变和核聚变
B．太阳发光发热和氢弹爆炸都是轻核聚变释放能量造成的
C．原子弹是在可控的链式反应下进行的核裂变
D．α、β、γ三种放射线中，γ射线可以治疗癌症
【答案】C
【解析】A．人类利用核能的方式由两种，即核裂变和核聚变，故A正确，不符合题意；
B．太阳发光发热和氢弹爆炸都是轻核聚变释放能量造成的，故B正确，不符合题意；
C．原子弹是在不可控的链式反应下进行的核裂变，故C错误，符合题意；
D．α、β、γ三种放射线中，γ射线可以治疗癌症，故D正确，不符合题意。
变式2：（2020·浙江·中考真题）图表示用中子轰击铀原子核产生氪核和钡核模型。下列叙述正确的是（ ）
A．该模型表示的是核聚变
B．该反应产生的中子可继续轰击其他铀核形成链式反应
C．该反应不会产生放射性物质
D．不能用该反应获得能量的方式来发电
【答案】B
【解析】A、该模型表示的是核裂变，该选项说法不正确；
B、该反应产生的中子可继续轰击其他铀核形成链式反应，该选项说法正确；
C、过程中产生的氪原子具有放射性，该选项说法不正确；
D、可以通过核裂变来发电，例如核电站是利用核裂变发电，该选项说法不正确。
变式3：常见的射线有：α射线、β射线、γ射线。
（1）α射线：一束在电场中偏向________极板的射线，α粒子就是氦原子核。
（2）β射线：是一种带负电的高速运动的________，具有很强的贯穿本领。
（3）γ射线：是一种波长很短的电磁波，其穿透本领最________。主要应用：可用来检测钢板或纸张的厚度，金属内部的砂眼及裂缝；可用来检查和医治恶性肿瘤，照射种子使种子变异，培育优良品种；可用该射线做手术——________。
【答案】（1）负 （2）电子流 （3）强；γ刀治癌
【解析】（1）α射线：一束在电场中偏向负极板的射线，α粒子就是氦原子核。
（2）β射线：是一种带负电的高速运动的电子流，具有很强的贯穿本领。
（3）γ射线：是一种波长很短的电磁波，其穿透本领最强。主要应用：可用来检测钢板或纸张的厚度，金属内部的砂眼及裂缝；可用来检查和医治恶性肿瘤，照射种子使种子变异，培育优良品种；可用该射线做手术——γ刀治癌。
1．（2021·浙江金华·九年级期末）核反应可分为聚变和裂变，下面的核反应示意图表示（ ）
A．聚变，一个大的原子核分成两个小的原子核
B．聚变，两个小的原子核合成一个大的原子核
C．裂变，一个大的原子核分成两个小的原子核
D．裂变，两个小的原子核合成一个大的原子核
【答案】C
【解析】核裂变是一个大的原子核分成两个小的原子核的过程，核聚变两个小的原子核合成一个大的原子核的过程，由图可知，是一个大的原子核分成两个小的原子核，故属于核裂变。故选C。
2．（2021·浙江·九年级专题练习）2020年12月，温州首个核电站三澳核电站获国家批准建设。该核电站的发电原理及电能输送如图所示，则以下叙述不正确的是（ ）
A．核反应堆里的是核裂变反应 B．汽轮机将机械能转化为内能
C．发电机的主要原理是电磁感应 D．电网在输送电能时会消耗电能
【答案】B
【解析】A．核电站是利用原子核裂变发生链式反应时释放的大量能量来发电的，故A正确，不符合题意；
B．汽轮机将水蒸气的内能转化为机械能，故B错误，符合题意；
C．发电机是根据电磁感应现象的原理制成的，故C正确，不符合题意；
D．电网在输送电能时，会产生热量，会消耗电能转化为内能，故D正确，不符合题意。
3．（2021·浙江·八年级专题练习）近日我国自主三代核电“华龙一号”5号机组首次达到临界状态，标志着机组正式进入带功率运行状态，向建成投产迈出了重要一步。下列关于核电站说法正确的是（ ）
A．核电站发生的能量转化是：化学能→内能→机械能→电能
B．核反应堆是核电站的“心脏”，里面发生的是核聚变
C．核电站反应堆中发生的链式反应是可以控制的
D．核电站反应堆产生的核废料对环境没有污染
【答案】C
【解析】A．核电站中将核能先转化为介质的内能，再推动发电机的转子转动，转化为机械能，并在发电机中最终转化为电能，故A错误；
B．核反应堆是核电站的“心脏”，里面发生的是核裂变，故B错误；
C．核反应堆中发生的是可控的核裂变，故C正确；
D．核废料具有很强的放射性，对环境危害很大，应专门进行处置，故D错误。
4．（2022·浙江·仙居县白塔中学九年级开学考试）太阳为地球提供了巨大的能量，这些能量来自太阳内部不停发生的______（填获得核能的途径）。有些人“谈核色变”，因为核电站一旦发生泄漏就会对环境造成巨大的污染，核污染的原因是核燃料具有 _________ 。
【答案】核裂变 放射性
【解析】太阳为地球提供了巨大的能量，这些能量来自太阳内部不停发生的核裂变，故填核裂变；
核燃料具有放射性，会对环境造成巨大的污染，故填放射性。
5．（2022·浙江宁波·中考真题）1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功！2003年10月16日，我国首次载人航天飞行圆满成功！2021年10月16日，神舟十三号发射圆满成功！为此，人民日报发了一条微博——“跨越时空的同一天”。
（1）如图是地球公转示意图。10月16日，地球位于图中___________（填字母）点附近。
（2）核能的释放有重核裂变和轻核聚变两种途径，其中原子弹爆炸时核能是通过___________的途径释放。
【答案】C 重核裂变##核裂变
【分析】地球公转的方向是自西向东，公转的周期是一年，公转产生的地理现象是：①昼夜长短的变化；②四季的形成。当太阳光线直射赤道时是北半球的春分日（日期是3月21日前后）或秋分日（日期是9月23日前后）；当太阳光线直射北回归线时是北半球的夏至日（日期是6月22日前后）；当太阳光线直射南回归线时是北半球的冬至日（日期是12月22日前后）。据图中不同字母的位置解答。
【解析】（1）10月16日地球运行在北半球的秋分日与冬至日位置之间即图中的C点附近，此时太阳直射南半球。
（2）核能的释放有重核裂变和轻核聚变两种途径，原子弹爆炸时核能是通过重核裂变的途径释放。
6．（2022·浙江·舟山市定海区第七中学九年级阶段练习）2020年11月27日，我国自主三代核电“华龙一号”全球首推——福清核电5号机组首次并网成功。“华龙一号”是世界上安全标准最高的核电站之一，确保我国在安全的基础上高效发展核电。
（1）目前我国核电包括“华龙一号”燃料在核反应堆中发生的是_________（填“重核裂变”或“氢核聚变”）。
（2）早在2011年日本福岛核电站因地震发生事故，造成堆芯迅速升温，包括金属锆Zr在高温下与水蒸气作用生成氧化锆（ZrO2）和大量氢气，并引起氢气爆炸，造成大量放射性物质泄漏。请写出出金属锆Zr高温下水蒸气反应的化学方程式：_________。
【答案】重核裂变
【解析】（1）目前我国核电站中获取核能的方式都是通过重核裂变完成的。
（2）由题意可知：氢气的产生是由于反应堆中金属锆（Zr）高温下与水蒸气反应生成氧化锆（ZrO2）和氢气，故反应的化学方程式为。
7．（2021·浙江·金华市外国语学校九年级期中）核电站利用______获得能量。如图是核电站发电的流程图，在核电站的发电的过程中，下列说法正确的是______。
A．能量转化顺序是核能→化学能→机械能→电能
B．在第一回路的核反应堆的外围，有一层厚厚的水泥防护层，其作用是防止核泄漏
C．冷凝器发生的物态变化是先液化后汽化
【答案】核裂变 B
【解析】[1] 核电站利用核裂变来获得能量；
[2] A.核电站能量转化的过程是：通过核反应把核能转化为内能，得到高温水蒸气；水蒸气推动气轮机转动，把内能又转化为机械能；气轮机再带动发电机发电，得到电能，故能量转化的顺序正确的是核能→内能→机械能→电能，故A错误；
B.核反应堆的外围，有一层厚厚的水泥防护层，其作用是防止核泄漏，故B正确；
C.冷凝器内，气体变为液体，是液化现象，故C错误。
8．（2021·浙江·九年级专题练习）美国发射帕克太阳探测器，其最引人注目的任务是“触摸太阳”。
（1）“触摸太阳”是指探测器将穿过太阳大气层的最外层，写出该层名称：___________层。
（2）太阳核心处温度极高，是由于大量氢同位素原子通过___________。（填“核聚变”或“核裂变”）反应变成氦原子，释放了巨大能量。
【答案】日冕层 核聚变
【解析】（1）太阳大气是太阳外边的大气层，从里向外依次是光球层、色球层和日冕层，所以最外层是日冕层。
（2）太阳核心处温度极高，是由于大量氢同位素原子通过核聚变反应变成氦原子，释放了巨大能量。
9．（2021·浙江温州·一模）2020年底，“嫦娥五号”探测器成功登月，在月球表面采集2千克月壤返回地球。
（1）如图是“嫦娥五号”传回的近距拍摄的月球背面图，其中A处是__________。
（2）带回的月壤中含有氦—3原子，在高温条件下两个氦—3原子的原子核会结合一起，发生核反应。该核反应是__________（选填“核聚变”或“核裂变”）。
【答案】环形山 核聚变
【解析】（1）[1]由图可知，A处为碗状凹坑结构，是环形山。
（2）[2]核聚变是两个较轻的原子核在超高温条件下结合为一个较重的原子核。故两个氦—3原子的原子核结合在一起，发生的核反应为核聚变。
10．（2022·浙江·衢州市三模）月球上的“土壤”主要由月球岩石碎屑、粉末等物质组成。太空中长期的太阳风，使得月壤中携带了大量的可作为清洁能源的氦-3，规模总计有100万至500万吨，远远超过了地球的储量。
（1）月壤中岩石碎屑、粉末这些成分相当于地球土壤中的______。（“矿物质”或“腐殖质”）
（2）氦-3是一种氦气同位素气体，它的核内中子比“正常”氦少一个（如图甲，氦-3原子核外有______个电子；
（3）把两个氦-3原子砸在一起会产生巨大的能量（如图乙），这种现象叫做______。（填“重核裂变”或“氦核聚变”）
【答案】矿物质 2 氢核聚变
【解析】（1）[1]腐殖质指的是被生物分解时候的剩余的富含大量对植物有有利作用的土壤所含的物质，也对整个生态系统有直接的正面作用。矿物质，是地壳中自然存在的化合物或天然元素，又称无机盐。月壤中岩石碎屑、粉末这些成分相当于地球土壤中的矿物质。
（2）[2]氦-3的原子序数为2，即原子核内有2个质子。根据核外电子数等于质子数可知，它的原子内有2个电子。
（3）[3]根据图片可知，两个氦-3原子结合在一起形成一个质量更大的原子，这种现象叫氦核聚变。
11．（2022·浙江宁波·一模）如图为M国的核动力航母照片及一种核反应的原理模型。
（1）核动力航母是以核反应释放的核能作为主要动力航行的。据核反应原理模型判断，该核反应属于______（填“核裂变”或“核聚变”）。
（2）航母在行驶过程中若有一架舰载机飞离，则航母受到的浮力将______（填“变小”、“变大”或“不变”）。飞机平稳起飞过程中，飞行员处于______（填“平衡状态”、“非平衡状态”）。
（3）国之重器，世界唯一的中程反舰弹道导弹—东风-21D反舰导弹，被外界称之为“航母杀手”，具有反应速度快、慑控范围广、突防能力强、寻跟目标准、打击精度高的特点，射程超过2000公里，可穿透导弹防御网，攻击移动中的航空母舰战斗群。它以固态______为燃料，发射后初段飞行与一般弹道导弹无异，但是，弹头脱离大气层后的中段飞行，可以靠卫星导引变换轨道；弹头重新进入大气层后的终段飞行，可借弹载雷达搜索目标，针对目标再机动变轨，使命必达。
【答案】核裂变 变小 非平衡态 氢
【解析】（1）[1]核裂变可以控制，核动力平台利用核裂变来获取能量。
（2）[2]航母在海面上漂浮，浮力等于重力，航母在行驶过程中若有一架舰载机飞离，航母的重力减小，浮力减小。
[3]飞机平稳起飞过程中，速度变大，飞行员处于非平衡状态。
（3）[4]氢的热值较大，导弹以固态氢为燃料，发射后初段飞行与一般弹道导弹无异。
思维导图
典例分析
举一反三
典例分析
举一反三
典例分析
举一反三
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第7节 核能
考点一、核能
原子由原子核和核外电子构成，而原子核又由质子和中子构成，质子带正电荷，中子不带电，对于原子来说，质子和中子几乎集中了原子的全部质量，却挤在原子中心非常小的空间内，构成很小的原子核，这使得原子核分裂或重新组合极其困难，但是一旦使原子核分裂或聚合，就可释放出惊人的能量。
（一）核能的概念
原子核是可以转变的，原子核在转变过程中所释放出的能量叫做核能。核裂变和核聚变是获得核能的两种途径。
（二）裂变
(1)含义:核裂变是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放出巨大能量的现象。如中子轰击铀235，铀核就会分裂成2个新核，并释放出能量，同时产生几个新的中子，1千克铀全部裂变，释放的能量超过2000吨煤完全燃烧释放的能量。
(2)链式反应:每个铀核裂变时会产生几个中子，这些中子又会继续轰击其他铀核，使其他铀核裂变并产生更多的中子，这样就会导致一系列铀核持续裂变，产生链式反应，如图所示。快速的裂变反应可以引起猛烈的爆炸，原子弹就是利用快速裂变制成的，我们]还可以控制链式反应的速度，把核能用于和平建设事业。“核反应堆”就是控制裂变反应的装置。
(3)应用:原子弹、核电站都是根据核裂变的原理制成的。原子弹属于不加控制的链式反应；核电站属于可控制的链式反应。
（三）聚变
(1)含义:2个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核，同时释放出能量的现象。由于核聚变需要极高的温度，所以核聚变也叫热核反应。
如图所示，氘核(1个质子和1个氘核中子)和氚核(1个质子和2个中子)在超高温下聚合成新的原子核一氦核，并释放出1个中子，同时释放巨大的能量。
(2)释放能量情况:质量相同的核燃料，核聚变反应释放的核能比核裂变反应释放的核能要多得多。
(3)应用:氢弹是根据核聚变的原理制造的，它的威力比原子弹大得多。太阳的内部在不停地发生这种核聚变，从而向外释放出巨大的能量。
典例1：（2022·浙江杭州·九年级阶段练习）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，在成都建成并实现首次放电，这意味着我国在可控核聚变技术领域走向了世界前列。下列说法不正确的是( )
A．新一代“人造太阳”的原理与氢弹的原理相同
B．目前核电站是利用核裂变反应发电的
C．任何原子内部都有原子核，所以利用任何物质都能获得核能
D．超高温是核聚变反应需要满足的条件之一
变式1：（2022·浙江温州市南浦实验中学九年级开学考试）今年8月，美国国家点火装置（NIF） 利用激光束会聚在含有氢同位素氘和氚的胶囊上，激光输入的能量是1.9千焦，得到输出能量1350千焦。这个实验结果被誉为人造小太阳，那么胶囊中发生的变化是（ ）
A．化学反应 B．链式反应 C．核聚变 D．核裂变
变式2：（2022·浙江湖州·中考真题）2021年10月14日，“羲和号”探日卫星顺利升空，实现了我国太阳探测零的突破。
（1）太阳是一颗___________（选填“恒星”或“行星”）。
（2）太阳的巨大能量是内部___________（选填“核聚变”或“核裂变”）产生的。
（3）“羲和号”运行在距离地面大约517公里的太阳同步轨道上。如果你是“羲和号”的设计师，根据其工作环境，设计时需要考虑哪些方面？___________
变式3：（2022·浙江嘉兴·九年级期末）2020年12月，“嫦娥五号”探测器在月球上采集了1731克月壤（其中约900克取自月表）。月壤中含有的“氦-3”（He-3）被科学家们称为“完美能源”，据科学家估算10吨“氦-3”就能满足我国一年所需的能源需求。
（1）使用“氦-3”作为能源，需通过__________（选填“轻核聚变”或“重核裂变”）释放其内部的核能；
（2）采集器把这900克月表的月壤放入距月表1米高的收集器中，采集器克服重力做了多少功_____________？（已知物体在月球表面受到的重力是地球上的）
（3）在返回过程中，“嫦娥五号”上升器发动机以向上3000牛的力工作6分钟，成功将携带样品的上升器送入到离月球表面高度约为15千米的预定环月轨道。则“嫦娥五号”上升器发动机的功率至少多大__________？
考点二、核电站
（一）核电站的原理
(1)核反应堆:可控制地进行核反应的装置，称为核反应堆。核反应堆是核电站核心部分，它以铀为核燃料。
(2)核电站原理:利用核反应堆提供能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电。
反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能,通过汽轮机带动发电机发电，内能转化为机械能,再转化为电能。核电站的工作过程:第一回路中的水被泵压人反应堆，在那里被加热，然后进人热交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回到反应堆里；在热交换器内，第二回路的水经加热生成高温高压蒸汽，被送入汽轮机驱动汽轮机做功后温度降低、压强减小，进人冷凝器，最后又由水泵把它压回热交换器。高速旋转的汽轮机带动发电机发电。
(3)核电站的能量转化:核电站并非将核能直接转化为电能。目前人类使用的电能大多数是通过发电机发出的，而发电机是把机械能转化为电能的装置，所以核电站必须把核能通过某些途径转化为机械能，再通过发电机转化为电能。核反应堆以铀235为燃料，反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机做功，将内能转化为机械能，带动发电机发电，将机械能转化为电能。
（二）核电站的特点
(1)消耗燃料少，废渣也少,产生的能量巨大，可以大大减少燃料的运输量。
(2)特别适合于缺少煤、石油和水力资源的区域。
(3)核电站需防止放射性物质泄漏造成的放射性污染，因此必须采用可靠的保护措施，同时要处理好废渣。
(4)成本低，一些发达国家的核电已占相当大的比例，我国的核电事业发展得也很快。
（三）太阳能
(1)在太阳内部，氢原子核在超高温下发生核聚变。
(2)太阳的巨大能量是内部核聚变产生的。
(3)大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去,其中有一部分到达地球表面。
典例1：（2022·浙江衢州·九年级期末）“华龙一号”是我国自主研发的核电机组，安全等级高。该机组利用核能的途径可以用图________（选填“甲”或“乙”）表示，这个过程________（选填“属于”或“不属于”）化学变化。
变式1：（2022·浙江绍兴·九年级期末）关于核电站，小科总结了以下四种说法，其中正确的是（ ）
A．核电站是利用氢核的聚变产生的能量来发电的
B．核电站的核心是利用核反应堆控制核能平稳地释放
C．核电站的反应堆中放出的核能可以直接转化为电能
D．核电站产生的废料可以直接排放到大海中
变式2：（2022·浙江·宁波市第七中学九年级阶段练习）据美国《防务新闻》网站3月9日报道，五角大楼已签署3份合同，开始进行移动式小型核反应堆的设计工作。移动式小型核反应堆也可以用于发电，核能发电利用了_______原理（请选填“核裂变”或“核聚变”）；反应堆冷却系统采用水冷方式是利用_______（请选填“做功”或“热传递”）的方式来改变内能；发电机是利用_______原理工作的。
变式3：（2022·浙江龙泉市民族中学九年级期末）核电站是利用核反应堆提供能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电的。甲是核电站的原理示意图，乙是两种核反应示意图。
（1）核电站核反应堆利用的是__________所示的核反应（填“A”或“B”）；
（2）根据核电站原理图，请在方框内完成核电站发电过程中能量转化流程图）____：
（3）核电站在运行过程中会产生大量的热，常用水作冷却剂，这是利用了水__________的性质，所以核电站一般建在海边。
考点三、放射性
（一）放射性
早在100多年前，科学家贝克勒尔、居里夫妇等发现铀、钍、镭等元素能够自发地放出穿透能力很强的射线。居里夫人把元素具有的这种辐射能力叫做放射性。
原子核的裂变和聚变都会产生些放射性物质，这些物质的原子核内部会向外辐射出肉眼看不见的、能量很高的射线，如a射线、β射线和γ射线。
（二）三种主要的放射线
射线 组成 穿透本领
a射线 带正电的高速运动的氦原子核 最弱，在空气中只能前进几厘米
β射线 带负电的高速运动的电子流 较强，很容易穿透黑纸，还能穿透几厘米厚的铝板
γ射线 能量很高的电磁波 很强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
（三）放射性的利与弊
(1)利:少量的放射线可以为人类服务，如r射线可以对机械设备进行探伤；可以使种子变异，培育出新的优良品种；利用放射线可以杀菌。医疗上利用γ射线可以治疗肿瘤等疾病。
(2)弊:过量的高能量的放射线照射对人体和动植物的组织有破坏作用。
典例1：（2021·浙江·九年级专题练习）以下对于放射线的说法正确的是（ ）
A．放射线无污染，无公害，使用时十分安全简单
B．利用放射线时，要进行有效的防护和防止污染
C．放射线对人畜伤害严重，有弊无利，难于利用
D．α射线和β射线是有益的，而γ射线是有害的
变式1：（2021·浙江·九年级专题练习）关于核能的应用，下列说法中不正确的是( )
A．人类利用核能的途径是核裂变和核聚变
B．太阳发光发热和氢弹爆炸都是轻核聚变释放能量造成的
C．原子弹是在可控的链式反应下进行的核裂变
D．α、β、γ三种放射线中，γ射线可以治疗癌症
变式2：（2020·浙江·中考真题）图表示用中子轰击铀原子核产生氪核和钡核模型。下列叙述正确的是（ ）
A．该模型表示的是核聚变
B．该反应产生的中子可继续轰击其他铀核形成链式反应
C．该反应不会产生放射性物质
D．不能用该反应获得能量的方式来发电
变式3：常见的射线有：α射线、β射线、γ射线。
（1）α射线：一束在电场中偏向________极板的射线，α粒子就是氦原子核。
（2）β射线：是一种带负电的高速运动的________，具有很强的贯穿本领。
（3）γ射线：是一种波长很短的电磁波，其穿透本领最________。主要应用：可用来检测钢板或纸张的厚度，金属内部的砂眼及裂缝；可用来检查和医治恶性肿瘤，照射种子使种子变异，培育优良品种；可用该射线做手术——________。
1．（2021·浙江金华·九年级期末）核反应可分为聚变和裂变，下面的核反应示意图表示（ ）
A．聚变，一个大的原子核分成两个小的原子核
B．聚变，两个小的原子核合成一个大的原子核
C．裂变，一个大的原子核分成两个小的原子核
D．裂变，两个小的原子核合成一个大的原子核
2．（2021·浙江·九年级专题练习）2020年12月，温州首个核电站三澳核电站获国家批准建设。该核电站的发电原理及电能输送如图所示，则以下叙述不正确的是（ ）
A．核反应堆里的是核裂变反应 B．汽轮机将机械能转化为内能
C．发电机的主要原理是电磁感应 D．电网在输送电能时会消耗电能
3．（2021·浙江·八年级专题练习）近日我国自主三代核电“华龙一号”5号机组首次达到临界状态，标志着机组正式进入带功率运行状态，向建成投产迈出了重要一步。下列关于核电站说法正确的是（ ）
A．核电站发生的能量转化是：化学能→内能→机械能→电能
B．核反应堆是核电站的“心脏”，里面发生的是核聚变
C．核电站反应堆中发生的链式反应是可以控制的
D．核电站反应堆产生的核废料对环境没有污染
4．（2022·浙江·仙居县白塔中学九年级开学考试）太阳为地球提供了巨大的能量，这些能量来自太阳内部不停发生的______（填获得核能的途径）。有些人“谈核色变”，因为核电站一旦发生泄漏就会对环境造成巨大的污染，核污染的原因是核燃料具有 _________ 。
5．（2022·浙江宁波·中考真题）1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功！2003年10月16日，我国首次载人航天飞行圆满成功！2021年10月16日，神舟十三号发射圆满成功！为此，人民日报发了一条微博——“跨越时空的同一天”。
（1）如图是地球公转示意图。10月16日，地球位于图中___________（填字母）点附近。
（2）核能的释放有重核裂变和轻核聚变两种途径，其中原子弹爆炸时核能是通过___________的途径释放。
6．（2022·浙江·舟山市定海区第七中学九年级阶段练习）2020年11月27日，我国自主三代核电“华龙一号”全球首推——福清核电5号机组首次并网成功。“华龙一号”是世界上安全标准最高的核电站之一，确保我国在安全的基础上高效发展核电。
（1）目前我国核电包括“华龙一号”燃料在核反应堆中发生的是_________（填“重核裂变”或“氢核聚变”）。
（2）早在2011年日本福岛核电站因地震发生事故，造成堆芯迅速升温，包括金属锆Zr在高温下与水蒸气作用生成氧化锆（ZrO2）和大量氢气，并引起氢气爆炸，造成大量放射性物质泄漏。请写出出金属锆Zr高温下水蒸气反应的化学方程式：_________。
7．（2021·浙江·金华市外国语学校九年级期中）核电站利用______获得能量。如图是核电站发电的流程图，在核电站的发电的过程中，下列说法正确的是______。
A．能量转化顺序是核能→化学能→机械能→电能
B．在第一回路的核反应堆的外围，有一层厚厚的水泥防护层，其作用是防止核泄漏
C．冷凝器发生的物态变化是先液化后汽化
8．（2021·浙江·九年级专题练习）美国发射帕克太阳探测器，其最引人注目的任务是“触摸太阳”。
（1）“触摸太阳”是指探测器将穿过太阳大气层的最外层，写出该层名称：___________层。
（2）太阳核心处温度极高，是由于大量氢同位素原子通过___________。（填“核聚变”或“核裂变”）反应变成氦原子，释放了巨大能量。
9．（2021·浙江温州·一模）2020年底，“嫦娥五号”探测器成功登月，在月球表面采集2千克月壤返回地球。
（1）如图是“嫦娥五号”传回的近距拍摄的月球背面图，其中A处是__________。
（2）带回的月壤中含有氦—3原子，在高温条件下两个氦—3原子的原子核会结合一起，发生核反应。该核反应是__________（选填“核聚变”或“核裂变”）。
10．（2022·浙江·衢州市三模）月球上的“土壤”主要由月球岩石碎屑、粉末等物质组成。太空中长期的太阳风，使得月壤中携带了大量的可作为清洁能源的氦-3，规模总计有100万至500万吨，远远超过了地球的储量。
（1）月壤中岩石碎屑、粉末这些成分相当于地球土壤中的______。（“矿物质”或“腐殖质”）
（2）氦-3是一种氦气同位素气体，它的核内中子比“正常”氦少一个（如图甲，氦-3原子核外有______个电子；
（3）把两个氦-3原子砸在一起会产生巨大的能量（如图乙），这种现象叫做______。（填“重核裂变”或“氦核聚变”）
11．（2022·浙江宁波·一模）如图为M国的核动力航母照片及一种核反应的原理模型。
（1）核动力航母是以核反应释放的核能作为主要动力航行的。据核反应原理模型判断，该核反应属于______（填“核裂变”或“核聚变”）。
（2）航母在行驶过程中若有一架舰载机飞离，则航母受到的浮力将______（填“变小”、“变大”或“不变”）。飞机平稳起飞过程中，飞行员处于______（填“平衡状态”、“非平衡状态”）。
（3）国之重器，世界唯一的中程反舰弹道导弹—东风-21D反舰导弹，被外界称之为“航母杀手”，具有反应速度快、慑控范围广、突防能力强、寻跟目标准、打击精度高的特点，射程超过2000公里，可穿透导弹防御网，攻击移动中的航空母舰战斗群。它以固态______为燃料，发射后初段飞行与一般弹道导弹无异，但是，弹头脱离大气层后的中段飞行，可以靠卫星导引变换轨道；弹头重新进入大气层后的终段飞行，可借弹载雷达搜索目标，针对目标再机动变轨，使命必达。
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