5.4 核裂变与核聚变（学案）——2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.4 核裂变与核聚变
学习目标
1、知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。
2、知道什么是链式反应。
3、了解核聚变的特点及其条件。
4、了解可控热核反应及其研究和发展。
重点难点
1、重核裂变的核反应方程式的书写。（重点）
2、核聚变的特点和条件。（难点）
自主探究
一、核裂变及链式反应
1、核裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
2、铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是。
3、链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核裂变的链式反应。
4、临界体积和临界质量：把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5、核裂变的能量：1 kg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化学能。
二、核电站
1、核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
（1）燃料：铀棒。
（2）慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。
（3）控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
2、工作原理：核燃料裂变释放的能量，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。
4、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的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核反应堆中的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，并释放出能量的反应。
2、举例：
3、条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。
4、应用：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹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1.6×107 K，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聚变释放的核能。
四、受控热核反应
1、聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：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。
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环流器。
（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，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
探究思考
一、对重核裂变和链式反应的分析
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。
(3)常见的裂变方程：
①。
②。
2、链式反应的条件：
(1)由慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。
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200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t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。
4、铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应：
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
【典例一】1、铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是.下列说法正确的有( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出 B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制 D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
解题思路：核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A选项正确；铀块要发生链式反应需达到一定的体积，B选项错误；链式反应可人工控制用以建立核电站，C选项正确；原子核的半衰期是由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D选项错误
答案：AC
二、核电站的结构及工作原理
1、核电站的主要组成：核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：
部件　　 名称项目 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的材料 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 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、反应堆工作原理：
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、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。
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
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。
【典例二】2、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
解题思路：镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，镉棒是利用其对中子的吸收能力强的特点，控制中子的数量从而控制核反应速度，故选项C正确
答案： C
三、核聚变的特点及应用
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10-15 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，有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温。
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：
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
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富
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
随堂训练
1、下列核反应方程中，属于裂变的是( )
A. B.
C. D.
答案：D
2、在下列核反应方程中，表示核聚变过程的是( )
A. B.
C. D.
答案：D
3、铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变方程是，已知铀核的质量为，中子的质量为，锶()核的质量为，氙()核的质量为，的质量亏损释放的能量.则下列说法正确的是 ( )
A.的比结合能比的比结合能小
B.—个原子核按裂变方程进行裂变释放的核能约为
C.重核裂变和轻核聚变相比，后者产能效率高，因此轻核聚变被广泛地应用于生产生活实际中
D.的半衰期是年，经过年，个的原子核，只剩下个
答案：AB
4、由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核（）的质量为，氚核（）的质量为，反应后氦核（）的质量为，中子（）的质量为，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是( )
A.核反应放出的能量为
B.上述核反应过程中原子核的比结合能增加
C.这种热核反应释放出氦核，是衰变
D.这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同
答案：AB
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