第五章 原子核 4　核裂变与核聚变 课时练（含解析）-2024春高中物理选择性必修3（人教版）

4　核裂变与核聚变
考点一　重核的裂变及链式反应
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
2．(2022·无锡市高二期中)请根据所学的物理知识猜想核潜艇中核反应方程式是(　　)
A.U→Th＋He
B.He＋Al→P＋n
C.H＋H→He＋n
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
3．核工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时出现操作失误，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是(　　)
A．临界体积
B．临界压强
C．临界温度
D．由一定的温度、体积和压强共同确定
4．(2022·南通市高二开学考试)U核某种裂变方式的核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋xn，已知U、n、Ba、Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中的光速为c。则下列说法正确的是(　　)
A．核反应方程式中x＝2
B.U中含有56个中子
C．该反应释放的核能为(m1－2m2－m3－m4)c2
D.Ba比U的比结合能小
考点二　反应堆与核电站
5．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是(　　)
A．燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D．燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
6．核电站利用核能发电，它的核心设备是反应堆，下列说法正确的是(　　)
A．反应堆是用人工方法控制链式反应速度并获得核能的装置
B．目前核电站都是通过聚变反应来利用核能
C．控制棒的作用是使中子减速，从而控制链式反应的速度
D．通入反应堆中的水起冷却作用和吸收中子的作用
考点三　核聚变
7．2020年12月4日，我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国核聚变发展获得重大突破。关于核聚变和核能，下列说法正确的是(　　)
A．核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温，又称热核反应
B．太阳辐射的能量来源于核聚变，核聚变又称链式反应
C．一个氘核和一个氚核聚变的方程为：H＋H→He＋e
D．核子平均质量越大，原子核越稳定
8．氘核与氚核发生聚变反应的方程式为H＋H→He＋X。已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，X的质量为m4，真空中的光速为c，下列说法正确的是(　　)
A．X为质子
B．X为电子
C．反应前后的质量应满足(m1＋m2)<(m3＋m4)
D．反应中释放的核能为(m1＋m2－m3－m4)c2
9．(2020·全国卷Ⅱ)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝ 1.6×10－13 J，则M约为(　　)
A．40 kg B．100 kg
C．400 kg D．1 000 kg
10．传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型，铀核裂变的核反应方程为U＋n―→Ba＋
Kr＋Rn，裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”，下列说法正确的是(　　)
A．从铀核裂变的核反应方程看，“传染系数”为2
B．核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数”
C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3
D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
11．用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出
3个中子。各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
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。
(1)试写出核反应方程；
(2)求出反应中释放的核能；
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？
12．(2022·苏州市高二期末)两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)，并释放3.26 MeV的核能，请完成下列问题：
(1)写出聚变方程式并计算质量亏损；(已知1u＝931.5 MeV)
(2)若反应前氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为新核的动能，则反应产生的中子的动能为多大？
4　核裂变与核聚变
1．D　[根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其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或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。]
2．D　[核潜艇中核反应为链式反应
U＋n→Ba＋Kr＋3n，故选D。]
3．A　[临界体积是核反应技术中的重要参数。如果核原料(六氟化钠)投入太多，提炼成核反应材料(二氟化铀)，就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会发生核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。]
4．C　[由核反应中的质量数守恒以及电荷数守恒可知x＝3，选项A错误；U原子核中电荷数为92，质量数为235，则中子数为235－92＝143，选项B错误；根据爱因斯坦质能方程知，该反应释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，选项C正确；核反应方程式生成物比反应物稳定，则U原子核的比结合能小于Ba原子核的比结合能，选项D错误。]
5．A　[核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误。]
6．A　[核电站的反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的装置，故A正确；核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电，故B错误；控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，故C错误；冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却，没有起吸收中子的作用，故D错误。]
7．A　[当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时接近到10－15 m而发生核聚变，因此，核聚变又叫热核反应，故A正确；太阳辐射的能量来源于核聚变，而链式反应发生在核裂变中，故B错误；该方程不符合质量数守恒和电荷数守恒，故C错误；原子核中核子平均质量越小，比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。]
8．D　[根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，则X为中子，选项A、B错误；因反应放出核能，则反应有质量亏损，即反应前后的质量应满足(m1＋m2)>(m3＋m4)，选项C错误；该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，反应中释放的核能为E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项D正确。]
9．C　[根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反应释放的能量为E＝×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV≈1.15×1010 J，则相当于燃烧的标准煤的质量为M＝ kg≈400 kg，故选C。]
10．B　[核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，可得R＝3，即从铀核裂变的核反应方程看“传染系数”为3，选项A错误；核反应堆中通过镉棒吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，选项B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，选项C错误；核反应堆中可以通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，选项D错误。]
11．(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)3.22×10－11 J　(3)2.48×103 kg
解析　(1)核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)一个铀核发生反应的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn
＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝3.578×10－28 kg。
一个铀核裂变释放的能量为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J
(3)秦山核电站一年需要消耗的裂变原料的质量为
m＝×390.313 9×10－27 kg≈2.48×103 kg。
12．(1)H＋H→He＋n　3.5×10－3u　(2)2.97 MeV
解析　(1)根据质量数守恒与电荷数守恒有
H＋H→He＋n
根据质能方程有ΔE＝Δm×931.5 MeV
解得Δm≈3.5×10－3u
(2)氘核正面对撞过程，根据动量守恒定律有
mHvH－mHvH＝mnvn＋mHevHe
根据能量守恒定律有ΔE＋2Ek0＝mnvn2＋mHevHe2
由Ek＝得＝，解得Ekn＝2.97 MeV。