课时跟踪检测（十八） 裂变和聚变
1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )
A．质子 B．中子
C．β粒子 D．α粒子
解析：选B 重核裂变链式反应发生依靠中子不断地轰击铀原子核使得裂变不断进行下去，故选项B正确。
2．(多选)下列关于核聚变的说法中正确的是( )
A．要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此核聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行
解析：选ABC 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度可通过原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误。
3．太阳发生氦闪之前进行的是氢聚变，关于核反应的类型，下列表述正确的是( )
A.U―→Th＋He是α衰变
B.N＋He―→O＋H是β衰变
C.He＋Al―→P＋n是核聚变
D.Se―→Kr＋2e是核裂变
解析：选A A选项是α衰变，B选项是人工转变，C选项是人工转变，D选项是β衰变，故选A。
4．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( )
A．这个实验的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋n
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
解析：选D 根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A错误；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C错误；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。
5．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)( )
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：选D 由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的物质的量为 mol，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故D正确。
6．重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，关于裂变和聚变，下列叙述正确的是( )
A．裂变过程有质量亏损，聚变过程无质量亏损
B．核聚变反应方程H＋H―→He＋n中n表示质子
C．裂变和聚变都可以释放出巨大的能量
D．氢弹的核反应属于裂变，原子弹的核反应属于聚变
解析：选C 裂变和聚变都可以释放出巨大的能量，都伴随着质量的亏损，A错误，C正确；聚变反应方程H＋H―→He＋n中n表示中子，B错误；原子弹的核反应属于裂变，氢弹的核反应属于聚变，D错误。
7．一个U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n―→X＋Sr＋2n，则下列说法正确的是( )
A．X的原子核中含有86个中子
B．X的原子核中含有141个核子
C．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少
D.U是天然放射性元素，它的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短也可能变长
解析：选A 由核反应规律可知，X是Xe，X中有140个核子、86个中子，A项正确，B项错误；裂变过程质量亏损，总质量数守恒，C项错误；半衰期由核本身的因素决定，与外界条件无关，D项错误。
8．(多选)一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋X―→Ba＋Kr＋3n。已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是( )
A．核反应方程中，X粒子是中子
B．核反应方程中，X粒子是质子
C.U、Ba和Kr相比，Ba核的比结合能最大，它最稳定
D.U、Ba和Kr相比，U核的核子数最多，它的结合能最大
解析：选AD 根据核反应质量数守恒和电荷数守恒可知题中的核反应方程中X粒子是中子，选项A正确，B错误；根据题图，核子数为80左右的原子核的比结合能最大，最稳定，所以U、Ba和Kr相比，Kr核的比结合能最大，最稳定，选项C错误；U、Ba和Kr相比，U的核子数最多，它的结合能最大，选项D正确。
9．假设有一种放射线是由铀核U衰变成Th，并释放一种粒子产生的。
(1)写出U衰变为Th的方程式；
(2)已知铀核质量为3.853 131×10－25 kg，钍核的质量为3.786 567×10－25 kg，α粒子的质量为6.646 72×10－27 kg，求衰变释放的能量。
解析：(1)反应方程式为U→Th＋He。
(2)核反应中质量亏损Δm＝mU－mTh－mα，
由质能方程得，释放的能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mTh－mα)c2，
代入数据得ΔE＝8.7×10－13 J。
答案：(1)U→Th＋ He (2)8.7×10－13 J
B组—重应用·体现创新
10．(多选)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
解析：选C 结合核反应方程知，1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E＝×43.15×1.6×10－13 J≈1.15×1010 J，根据题意得M＝M0＝×1 kg≈400 kg，故A、B、D项错误，C项正确。
11．关于核知识的叙述，下列说法正确的是( )
A．太阳中的能量主要来源于氢核的聚变，发生聚变后产生的新核的比结合能增大
B．核电站的能量来源于重核裂变，发生裂变后产生的新核的比结合能减小
C．核聚变与核裂变相比平均每个核子放出的能量更多，现在应用也更广泛
D．原子核的结合能是指组成原子核的所有核子所具有的能量之和
解析：选A 太阳中的能量主要来源于氢核的聚变，聚变发生的过程中释放巨大的能量，可知产生的新核的比结合能比反应前原子核的比结合能大，选项A正确；核电站的能量来源于重核裂变，重核裂变过程中释放巨大的能量，可知发生裂变后产生的新核的比结合能增大，选项B错误；核聚变与核裂变相比平均每个核子放出的能量更多，但不容易控制，目前还没有广泛应用，选项C错误；原子核的结合能是组成原子核的所有核子结合成原子核时释放出来的能量，选项D错误。
12．(多选)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3(He)”的化学元素，这是热核聚变的重要原料。关于“氦3(He)”与氘核的聚变，下列说法正确的是( )
A．核反应方程为He＋H―→He＋H
B．核反应生成物的质量将大于反应物的质量
C．“氦3(He)”一个核子的结合能与氘(H)一个核子的结合能之和小于氦4(He)一个核子的结合能
D．“氦3(He)”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量
解析：选AD A选项中的核反应方程就是He和H发生核聚变的方程，在生成He和H的同时释放大量的能量，A正确；由于核反应的过程中释放大量的能量，根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可知生成物的质量小于反应物的质量，B错误；反应物的结合能之和大于生成物结合能之和，质量中等的核的比结合能最大，故使重核裂变为两个质量中等的核或使轻核聚变，都可使核更为稳定并放出能量，由此可知C错误，D正确。
13．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
H＋C―→N＋Q1， ①
H＋N―→C＋X＋Q2， ②
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：
原子核 H H He C N N
质量/u 1.007 8 3.016 6 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1
以下推断正确的是( )
A．X是He，Q2>Q1 B．X是He，Q2>Q1
C．X是He，Q2解析：选B 由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u。②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1。根据质能方程ΔE＝Δmc2可知Q2>Q1，故选B。
14．核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，假设某核潜艇的水下最大航速为45节(1节＝1.852 km/h)，核反应堆最大输出功率为4.5万千瓦，最大续航里程为20万海里(1海里＝1.852 km)。已知1个U核裂变放出的能量是200 MeV，铀矿石含铀235的浓度是4%。
(1)当核反应堆达到最大输出功率时，每秒至少有多少个铀235原子核发生裂变？
(2)若核潜艇一直以水下最大航速行驶，则核潜艇一次至少要装入铀矿石的质量为多少？
解析：(1)当核反应堆达到最大输出功率时，每秒发生裂变的铀235原子核个数
N＝＝个＝1.4×1018个。
(2)最大续航时间tm＝＝ h＝1.6×107 s
铀235的摩尔质量M＝235 g/mol
设需装铀矿石的质量为m，有Pmtm＝NΔE＝NAΔE
解得m＝＝ g
≈2.2×105 g＝220 kg。
答案：(1)1.4×1018个 (2)220 kg
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第五节 裂变和聚变
核心素养点击
物理观念 1.了解核裂变反应及链式反应的条件。
2.了解核聚变反应的条件。
3.知道核电站的工作模式。
科学思维 通过热核反应的条件，认识热核反应可能的控制方法。
科学探究 探究核电站的组成，知道其工作原理。
科学态度与责任 1.了解两类核能应用的利弊，关注技术应用对人类生活和社会发展的影响。
2.感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，形成相对完整、科学的物质观念。
一、核裂变与链式反应
1．填一填
(1)重核裂变
中子
质量相近
释放
中子
中子
中子
裂变反应
最小
2．判一判
(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。 ( )
(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。 ( )
(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。 ( )
×
×
√
3．想一想
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
提示：重核裂变不是天然现象，是中子轰击才能发生的核反应。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应？
提示：有中子轰击铀块，且铀块的体积大于临界体积，这样就可以产生链式反应。
质量较大
能量
10－15
静电斥力
热核反应
2．判一判
(1)太阳中发生的是可控热核聚变反应。 ( )
(2)轻核发生聚变反应不需要条件。 ( )
(3)轻核发生聚变反应核子必须达到核力发生作用的范围。 ( )
×
×
√
解析：该核反应是聚变反应，放出能量，质量亏损。
答案：C
反应堆
低
小
2．判一判
(1)核电站将核反应堆释放的核能转化为电能。 ( )
(2)目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电。 ( )
(3)核能是一种新能源，不会造成环境污染。 ( )
3．选一选
现已建成的核电站发电的能量来自于 ( )
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
解析：现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故C项正确。
答案：C
√
×
×
探究(一) 重核裂变与核能计算
[问题驱动]
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
提示：有慢中子轰击铀块，铀块的体积大于临界体积，这样就可以产生链式反应。
2．链式反应的条件
(1)有慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
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全部裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
4．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，且裂变的概率小。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。
[答案] (1)40 90 (2)8.32×1013 J
重核裂变释放的核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦质能方程，用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。
(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算，用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5 MeV。
(3)由核能的转化量计算。
答案：C
2. 关于铀核的裂变，下列叙述正确的是 （ ）
A.?核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并吸收大量能量 ?
B.?核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放大量的核能
C.?要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击
D.?要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有快中子的轰击
解析：核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放大量的核能，故?A、B错误；要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击，快中子不易捕获，故C正确，D错误。
答案：C
答案：BC
探究(二) 核电站的主要组成及工作原理
[问题驱动]
如图所示为核电站工作流程示意图：
核电站的核心设施是什么？
提示：核反应堆。
[重难释解]
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，它的主要组成如表格：
部份 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 水或液态的金属钠 很厚的水泥防护层
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，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量
占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)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、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动汽轮发电机发电。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。
[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。
[答案] B
[素养训练]
1．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成 ( )
A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、慢化剂、发热系统和热传递系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和热传递系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
解析：核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠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，同时使反应堆冷却，保证安全。
答案：A
2．(2024·云浮高二月考)如图所示是当前核电站普遍使用的核反应堆的示意图，关于该反应堆中进行的核反应，下列说法中正确的是( )
A．图示装置中进行的核反应类型是核聚变
B．要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深
C．裂变反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒
D．石墨起到降低反应温度的作用
A．图示装置中进行的核反应类型是核聚变
B．要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深
C．裂变反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒
D．石墨起到降低反应温度的作用
解析：题图示装置中进行的核反应类型是核裂变，故A错误；将铀棒插入得更深，中子接触的铀原子核更多，反应加剧，故B错误；裂变反应的燃料是铀，反应过程发生质量亏损，质量不守恒，故C正确；石墨主要是将快中子变为慢中子，故D错误。
答案：C
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
提示：参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内，约为10－15 m这种程度，因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，使原子核的动能转化为原子核的电势能，使核子之间的核力发生作用，轻核才能聚变成质量较大的核。
[重难释解]
1．核聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m以内，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。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达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．核聚变的作用
(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
反应类型 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，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，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
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
(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。
(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。
二、注重学以致用和思维建模
1．(2024·湖南高二联考)新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、风能和核聚变能等。下列关于太阳能、核聚变的说法正确的是( )
解析：在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能，因此太阳内部进行着的核反应是核聚变，A错误；轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B错误；根据质量数与电荷数守恒可知，X为中子，C正确；核电站是利用原子核裂变的链式反应产生的能量来发电的，D错误。
答案：C
解析：质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，所以释放的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，A正确；γ光子来源于原子核受激产生的能量，B错误；由于核聚变释放能量，则反应前的总结合能小于反应后的总结合能，C正确；根据质量数和电荷数守恒可知A＝4，D错误。
答案：AC
答案：A
