第4、5节 核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
(赋能课——精细培优科学思维)
课标要求 学习目标
1.了解裂变反应和聚变反应。2.关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 1.知道核裂变、核聚变、链式反应、临界体积、引力约束、磁约束、惯性约束的概念。2.知道核聚变方程、核裂变方程及质量数、能量守恒。3.了解裂变反应堆的应用、核能的应用与危害。
一、重核裂变 链式反应
1．重核裂变
定义 用______轰击铀核，发现铀核分裂成__________的两部分，并释放出能量，这种核反应过程称为核裂变
裂变能 核裂变______出的能量称为裂变能，也称核能或原子能
典型裂变反应 n＋U―→Sr＋Xe＋______
n＋U―→Ba＋______＋3n
2.链式反应
(1)定义：当______轰击U核使其裂变释放出巨大能量的同时，释放出的______继续轰击U，使之发生裂变，这样继续下去，______会不断增加，__________就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。
(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的______体积。
二、轻核聚变 可控热核聚变
1．核聚变：______聚变成________而释放核能的核反应。
2．常见的聚变方程
(1)一个氘核和一个氚核结合成一个氦核：
H＋H―→________＋n
这个核反应可释放17.51 MeV的能量，平均每个核子释放______ MeV的能量。
(2)H＋H―→H＋H＋4.00 MeV。
3．轻核聚变的反应条件：核间距接近10－15 m，核力发生作用的距离内。
4．约束核聚变材料的方法：__________、________和惯性约束。
三、核能的利用与环境保护
1．核电站：将__________释放的核能转化为电能的发电厂。
工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能。
燃料：反应堆以________为燃料。
2．核武器：________和______是众所周知的两种核武器。
3．核能的优势
(1)核能发电比燃煤发电的成本____。
(2)核能发电比燃煤发电对环境带来的污染____。
4．核能利用存在的危害
(1)核废料的高________。
(2)放射性物质泄漏，产生________。
(3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。,[微情境·大道理]
1．如图所示，为铀核裂变示意图，请对以下说法作出判断：
(1)铀核裂变是一种天然放射现象。( )
(2)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。( )
(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。( )
(4)核反应堆用过的核废料无毒无害。( )
2.秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站，地处浙江省海盐县。秦山核电站工程建设自1985年3月开工，1991年12月并网发电。
秦山核电站的建成发电，使我国成为世界上第7个能够自行设计、建造核电站的国家。
请对以下说法作出判断：
(1)核原料与火力发电所用煤相比，便于运输和储存。( )
(2)在核电站，核裂变释放的大量核能可以直接用于发电。( )
(3)核电站中控制核反应速度用的是镉做成的镉棒。( )
3.万物生长靠太阳，太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？
4.如图所示，为氢弹爆炸形成的蘑菇云，实际上氢弹爆炸是由原子弹爆炸产生的高温高压引发的，那么氢弹中核聚变反应为什么需要几百万摄氏度的高温呢？
强化点(一) 重核裂变与链式反应
任务驱动
观察铀核裂变示意图。
(1)铀核裂变是如何发生的？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
(3)链式反应在自然界中能自发进行吗？
[要点释解明]
1．重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小，所以在重核分裂为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
2．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。当体积超过临界体积时，才能保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
3．铀235比铀238更易发生链式反应
(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。
[典例] 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是( )
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
C．若裂变的链式反应能够发生，铀235的体积必须大于或等于它的临界体积
D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
听课记录：
/易错警示/(1)裂变的中子方面：铀核裂变的产物是多样的，放出的中子数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面：裂变物的体积必须大于等于临界体积才能发生链式反应。
[题点全练清]
1.U＋n―→X＋Sr＋10n为核动力潜艇所用燃料的一种核反应方程。关于该核反应，下列说法正确的是( )
A．X的质子数为141
B．X的中子数为87
C．核反应前后核子的总质量不变
D．X比U更稳定
2．(2024·嘉兴高二阶段练习)(多选)浙江秦山核电站第三期工程有两个70万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是( )
A.U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
B.U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为U＋n―→Ba＋Kr＋3n
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核裂变能放出约200 MeV的能量，约3.2×10－11 J
3．下面是铀核裂变反应中的一个：U＋n―→Xe＋Sr＋10n。已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中质量亏损Δm＝________u，释放的核能ΔE＝________MeV。
强化点(二) 轻核聚变及其应用
任务驱动
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件？
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
[要点释解明]
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。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：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，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。
[典例] (2023·湖南高考)2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是( )
A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B．氘氚核聚变的核反应方程为H＋H―→He＋e
C．核聚变的核反应燃料主要是铀235
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
听课记录：
[题点全练清]
1．太阳内部核反应的主要模式之一是质子—质子循环，循环的结果可表示为4H―→He＋2e＋2ν，已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u,1 u＝931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为( )
A．8 MeV B．16 MeV
C．26 MeV D．52 MeV
2．(2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023 mol－1，氘核摩尔质量为2 g·mol－1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是( )
A．核反应方程式为H＋H―→He＋n
B．氘核的比结合能比氦核的大
C．氘核与氚核的间距达到10－10 m就能发生核聚变
D．4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
强化点(三) 核电站的组成与工作原理
任务驱动
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？
[要点释解明]
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：
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。
[题点全练清]
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。下列选项中正确的是( )
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、发热系统和传热系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
2.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．该核反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒
D．石墨起到降低反应温度的作用
3．(2024·龙岩高二检测)在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
(1)核反应方程式U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝______。以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是________________。
(2)有一座发电功率为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，U核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量。
第4、5节 核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
一、1.中子 质量相近 释放 2n Kr 2.(1)中子 中子 中子 裂变反应 (2)最小
二、1.轻核 较重核 2.(1)He 3.5 4.引力约束 磁约束
三、1.核反应堆 U 2.原子弹 氢弹 3.(1)低 (2)小 4.(1)放射性 (2)核污染
[微情境·大道理]
1．(1)× (2)× (3)√ (4)×
2．(1)× (2)× (3)√
3．提示：来源于太阳内部的核聚变反应。
4．提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能，只有温度达到几百万摄氏度，原子核才可以具有这样大的动能。
强化点(一)
[任务驱动] 提示：(1)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。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库仑斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。
(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)链式反应只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生。
[典例] 选C 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于等于临界体积(或临界质量)，A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的概率小，B错误。
[题点全练清]
1．选D 根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为235＋1－94－10＝132，X的电荷数为92－38＝54，则X的质子数为54，中子数为132－54＝78，故A、B错误；核反应遵循的是质量数守恒而非质量守恒，则核反应前后核子数相等，但核子的总质量不相等，故C错误；核反应过程中释放能量，因此生成的X的平均结合能比U的平均结合能大，则X更稳定，故D正确。
2．选BD U裂变时，核子数、质量数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，产生质量亏损，释放核能，故A错误；根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可知，B正确；U的半衰期由核内部自身的因素决定，不会随环境温度的变化而改变，故C错误；200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，故D正确。
3．解析：质量亏损Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－135.907 2 u－89.907 7 u－10×1.008 7 u＝0.150 7 u。由ΔE＝Δmc2可求得释放的核能ΔE＝0.150 7 ×931.5 MeV＝140.377 05 MeV。
答案：0.150 7 140.377 05
强化点(二)
[任务驱动] 提示：(1)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。
(2)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。
[典例] 选A 相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A正确；根据质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为H＋H―→He＋n，B错误；核聚变的核反应燃料主要是氘核和氚核，C错误；核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，D错误。
[题点全练清]
1．选C 由核反应方程可知，4个H转变成1个He的过程中的质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的核能ΔE＝0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，故选项C正确。
2．选D 核反应方程式为H＋H―→He＋n，故A错误；氘核的比结合能比氦核的小，故B错误；要使氘核与氚核发生核聚变，必须使它们间的距离达到10－15 m以内，故C错误；一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7)u＝0.018 9 u，聚变反应释放的能量为ΔE＝Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全参与聚变释放出能量E＝×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，数量级为1025 MeV，故D正确。
强化点(三)
[任务驱动] 提示：核反应堆。
[题点全练清]
1．选A 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；控制调节系统用于调节中子的数目以控制链式反应的速度，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。
2．选C 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。
3．解析：(1)由核反应方程式可知，X为n，a为3，
释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)因核电站的发电效率为40%，
故核电站消耗核能的功率为P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，
核电站每年消耗的核能为
W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J。
每年消耗U的质量为
M＝mU＝kg≈1 105 kg。
答案：(1)n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg
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核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
(赋能课—精细培优科学思维)
第4、5节
课标要求 学习目标
1.了解裂变反应和聚变反应。 2.关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 1.知道核裂变、核聚变、链式反应、临界体积、引力约束、磁约束、惯性约束的概念。
2.知道核聚变方程、核裂变方程及质量数、能量守恒。
3.了解裂变反应堆的应用、核能的应用与危害。
1
课前预知教材/落实主干基础
2
课堂精析重难/深度发掘知能
3
课时跟踪检测
CONTENTS
目录
课前预知教材/落实主干基础
一、重核裂变 链式反应
1．重核裂变
中子
质量相近
释放
续表
中子
中子
中子
裂变反应
最小
轻核
较重核
3.5
3．轻核聚变的反应条件：核间距接近10－15 m，核力发生作用的距离内。
4．约束核聚变材料的方法：_________、________和惯性约束。
引力约束
磁约束
3．核能的优势
(1)核能发电比燃煤发电的成本_____。
(2)核能发电比燃煤发电对环境带来的污染_____。
4．核能利用存在的危害
(1)核废料的高________。
(2)放射性物质泄漏，产生_______。
(3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。
低
小
放射性
核污染
1．如图所示，为铀核裂变示意图，请对以下说法作出判断：
微情境·大道理
(1)铀核裂变是一种天然放射现象。 ( )
(2)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。 ( )
(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。 ( )
(4)核反应堆用过的核废料无毒无害。 ( )
×
×
√
×
2.秦山核电站是我国自行设计、建造和
运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站，
地处浙江省海盐县。秦山核电站工程建设自
1985年3月开工，1991年12月并网发电。
秦山核电站的建成发电，使我国成为世界上第7个能够自行设计、建造核电站的国家。
请对以下说法作出判断：
(1)核原料与火力发电所用煤相比，便于运输和储存。 ( )
(2)在核电站，核裂变释放的大量核能可以直接用于发电。 ( )
(3)核电站中控制核反应速度用的是镉做成的镉棒。 ( )
×
×
√
3.万物生长靠太阳，太阳在我们日常生活
中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，
太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都
将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？
提示：来源于太阳内部的核聚变反应。
4.如图所示，为氢弹爆炸形成的蘑菇云，实际
上氢弹爆炸是由原子弹爆炸产生的高温高压引发
的，那么氢弹中核聚变反应为什么需要几百万摄
氏度的高温呢？
提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能，只有温度达到几百万摄氏度，原子核才可以具有这样大的动能。
课堂精析重难/深度发掘知能
观察铀核裂变示意图。
强化点(一) 重核裂变与链式反应
任务驱动
(1)铀核裂变是如何发生的？
提示：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。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库仑斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
提示：铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)链式反应在自然界中能自发进行吗？
提示：链式反应只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生。
1．重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小，所以在重核分裂为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
要点释解明
2．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。当体积超过临界体积时，才能保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
3．铀235比铀238更易发生链式反应
(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。
[典例] 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是( )
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
C．若裂变的链式反应能够发生，铀235的体积必须大于或等于它的临界体积
D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
√
[解析] 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于等于临界体积(或临界质量)，A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的概率小，B错误。
/易错警示/
(1)裂变的中子方面：铀核裂变的产物是多样的，放出的中子数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面：裂变物的体积必须大于等于临界体积才能发生链式反应。
题点全练清
√
√
√
0.150 7
140.377 05
解析：质量亏损Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－135.907 2 u－89.907 7 u－10×1.008 7 u＝0.150 7 u。由ΔE＝Δmc2可求得释放的核能ΔE＝0.150 7 ×931.5 MeV＝140.377 05 MeV。
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件？
提示：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。
任务驱动
强化点(二) 轻核聚变及其应用
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
提示：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。
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。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：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
要点释解明
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。
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题点全练清
√
√
如图所示为核电站工作流程示意图：
强化点(三) 核电站的组成与工作原理
任务驱动
核电站的核心设施是什么？
提示：核反应堆。
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：
要点释解明
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。
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。下列选项中正确的是( )
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、发热系统和传热系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
题点全练清
√
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；控制调节系统用于调节中子的数目以控制链式反应的速度，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。
2.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．该核反应的燃料是铀，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：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。
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(mU－mBa－mKr－2mn)c2
答案：1 105 kg
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A级——基础达标
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：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。
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2．铀核可以发生衰变和裂变，铀核的( )
A．衰变和裂变都能自发发生
B．衰变和裂变都不能自发发生
C．衰变能自发发生而裂变不能自发发生
D．衰变不能自发发生而裂变能自发发生
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解析：铀是天然放射性元素，所以铀核的衰变能自发发生，而铀核的裂变是人工实现的，是用中子轰击铀核实现的，所以铀核的裂变不能自发发生，故A、B、D错误，C正确。
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3．(2024·珠海高二月考)因为火星大部分地区表面温度的昼夜差超过100 ℃，一般化学电池无法工作，因此探测器的工作电源是放射性同位素电池，即核电池。核电池将同位素在衰变过程中不断放出的核能转变为电能。核电池已成功用作航天器的电源。据此猜测航天器的核电池有可能采用的核反应方程是( )
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4．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是( )
A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的
B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的
C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的
D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
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解析：原子弹是根据重核裂变原理研制的，而氢弹是根据轻核聚变原理研制的，故A、B、D错误，C正确。
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6.(2024·泉州高二检测)如图所示为氘核与氚核的
核聚变示意图。下列说法正确的是( )
A．目前核电站主要利用核聚变来发电
B．与轻核聚变相比，重核裂变更安全更清洁
C．要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能
D．要使核聚变持续发生，需要外界持续不断的提供能量
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解析：目前核电站还主要是利用重核裂变释放的能量来发电，故A错误；轻核聚变与重核裂变相比，轻核聚变更为安全、清洁，故B错误；要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能，故C正确；核聚变一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，故D错误。
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7.热中子核反应堆需要控制反应速度和反应温度，一种称为“电磁泵”的装置，是靠熔化的钠来传递核燃烧产生的热量，抽动液态钠的“泵”传动部分不允许和钠接触，如图所示为该装置中的耐热导管，处于匀强磁场中，让电流通过导管中的钠液，可以使熔化的钠在管中按图中标示的方向加速流过，下列说法正确的是( )
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A．镉棒插入反应堆越深，核反应越激烈
B．重水使中子减速，有助于提高核反应概率
C．导管中钠液的电流方向垂直速度方向向下
D．导管中钠液的电流方向与速度的方向相同
解析：镉棒插入反应堆越深，吸收中子越多，核反应越慢，故A错误；重水使中子减速，慢中子更容易被铀核捕获，有助于提高核反应概率，故B正确；要使液态钠按题图中方向加速流过，则安培力的方向与速度方向一致，根据左手定则，则电流方向垂直速度方向向上，故C、D错误。
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8．(2024·宁德高二调研)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( )
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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项错误；轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B项错误；根据质量数与核电荷数守恒，可知X为中子，C项正确；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项错误。
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解析：根据电荷数和质量数守恒可得，
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90。
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13．有一种核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 2 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg。(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字)
(1)写出氘和氚聚合的核反应方程；
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(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
答案：2.8×10－12 J
解析：由爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 2－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×(3.0×108)2 J≈2.8×10－12 J。
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(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转变成电能，每年要消耗氘的质量是多少？
答案：23 kg
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4课时跟踪检测(十八) 核裂变和核聚变
核能的利用与环境保护
A级——基础达标
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
2．铀核可以发生衰变和裂变，铀核的( )
A．衰变和裂变都能自发发生
B．衰变和裂变都不能自发发生
C．衰变能自发发生而裂变不能自发发生
D．衰变不能自发发生而裂变能自发发生
3．(2024·珠海高二月考)因为火星大部分地区表面温度的昼夜差超过100 ℃，一般化学电池无法工作，因此探测器的工作电源是放射性同位素电池，即核电池。核电池将同位素在衰变过程中不断放出的核能转变为电能。核电池已成功用作航天器的电源。据此猜测航天器的核电池有可能采用的核反应方程是( )
A.H＋H―→He＋n
B.U＋n―→Ba＋Kr＋3n
C.Pu―→U＋He
D.Al＋He―→P＋n
4．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是( )
A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的
B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的
C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的
D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
5．(2023·天津高考)关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是( )
A．核聚变需要在高温下进行
B．核聚变中电荷不守恒
C．太阳质量不变
D．太阳上进行的核反应为U＋n―→Ba＋Kr＋3n
6.(2024·泉州高二检测)如图所示为氘核与氚核的核聚变示意图。下列说法正确的是( )
A．目前核电站主要利用核聚变来发电
B．与轻核聚变相比，重核裂变更安全更清洁
C．要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能
D．要使核聚变持续发生，需要外界持续不断的提供能量
7.热中子核反应堆需要控制反应速度和反应温度，一种称为“电磁泵”的装置，是靠熔化的钠来传递核燃烧产生的热量，抽动液态钠的“泵”传动部分不允许和钠接触，如图所示为该装置中的耐热导管，处于匀强磁场中，让电流通过导管中的钠液，可以使熔化的钠在管中按图中标示的方向加速流过，下列说法正确的是( )
A．镉棒插入反应堆越深，核反应越激烈
B．重水使中子减速，有助于提高核反应概率
C．导管中钠液的电流方向垂直速度方向向下
D．导管中钠液的电流方向与速度的方向相同
8．(2024·宁德高二调研)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( )
A．太阳能是来自太阳内部进行的热核反应，它属于重核的裂变
B．轻核聚变过程中质量增大且放出巨大能量
C．核聚变方程H＋H―→He＋X中的X粒子是中子
D．核电站是利用轻核聚变的链式反应产生的能量来发电的
9．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u。又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
B级——综合应用
10．(2024年1月·安徽高考适应性演练)核能是蕴藏在原子核内部的能量，合理利用核能，可以有效缓解常规能源短缺问题。在铀核裂变实验中，核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3X，U核的结合能为E1，Ba核的结合能为E2，Kr核的结合能为E3。则( )
A．该核反应过程动量不守恒
B．该核反应方程中的X为n
C．该核反应中释放的核能为
D．该核反应中电荷数守恒，质量数不守恒
11．(2024·黔西高二阶段练习)(多选)甘肃省武威市全球首台钍基熔盐核反应堆进行试运行放电，标志着我国成为世界上第一个对第四代核电技术进行商业化试验运营的国家。反应堆工作原理如图所示，钍232吸收一个中子后会变成钍233，钍233不稳定，会变成易裂变核素铀233。下列说法正确的是( )
A．钍233变成铀233的核反应方程式是Th―→Pa＋e，Pa―→U＋e
B．中间产生的新核镤233从高能级向低能级跃迁时，会伴随γ辐射
C．新核铀233的结合能小于钍233的结合能
D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电
12．(多选)大多数原子核发生反应的过程中都伴随着中微子的产生，如核裂变、核聚变、β衰变等。下列关于核反应的说法正确的是( )
A.Th衰变为Rn，经过3次α衰变、2次β衰变
B.H＋H―→He＋n是α衰变方程，Th―→Pa＋e是β衰变方程
C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂变方程，也是原子弹的核反应方程之一
D．钍的半衰期为24天，1 g钍经过120天后还剩0.2 g未衰变
13．有一种核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 2 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg。(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字)
(1)写出氘和氚聚合的核反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转变成电能，每年要消耗氘的质量是多少？
课时跟踪检测(十八)
1．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．选C 铀是天然放射性元素，所以铀核的衰变能自发发生，而铀核的裂变是人工实现的，是用中子轰击铀核实现的，所以铀核的裂变不能自发发生，故A、B、D错误，C正确。
3．选C H＋H―→He＋n为核聚变，故A错误；U＋n―→Ba＋Kr＋3n为核裂变，故B错误；Pu―→U＋He为α衰变，故C正确；Al＋He―→P＋n为原子核的人工转变，故D错误。
4．选C 原子弹是根据重核裂变原理研制的，而氢弹是根据轻核聚变原理研制的，故A、B、D错误，C正确。
5．选A 因为高温时原子核的热运动剧烈，使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变，故核聚变也叫热核反应，需要在高温下进行，A正确；由于核反应过程遵循质量数守恒以及电荷数守恒，因此核聚变中电荷数是守恒的，即电荷也是守恒的，B错误；核聚变释放出巨大的能量，由爱因斯坦质能方程可知核聚变存在质量亏损，所以太阳进行核聚变时，其质量减小，C错误；太阳上进行的是核聚变，而U＋n―→Ba＋Kr＋3n是重核的裂变反应，故D错误。
6．选C 目前核电站还主要是利用重核裂变释放的能量来发电，故A错误；轻核聚变与重核裂变相比，轻核聚变更为安全、清洁，故B错误；要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能，故C正确；核聚变一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，故D错误。
7．选B 镉棒插入反应堆越深，吸收中子越多，核反应越慢，故A错误；重水使中子减速，慢中子更容易被铀核捕获，有助于提高核反应概率，故B正确；要使液态钠按题图中方向加速流过，则安培力的方向与速度方向一致，根据左手定则，则电流方向垂直速度方向向上，故C、D错误。
8．选C 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项错误；轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B项错误；根据质量数与核电荷数守恒，可知X为中子，C项正确；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项错误。
9．解析：(1)根据电荷数和质量数守恒可得，
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90。
(2)1个铀核发生反应的质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg≈3.61×10－28 kg，
产生的能量ΔE＝Δmc2＝3.61×10－28×(3×108)2 J≈3.25×10－11 J，
1 kg铀235含有铀核的数量n＝个≈2.56×1024个
1 kg铀235产生的能量E总＝nΔE＝2.56×1024×3.25×10－11 J＝8.32×1013 J。
答案：(1)40 90 (2)8.32×1013 J
10．选B 在铀核裂变的过程中，动量守恒，故A错误；设X为X，由电荷数守恒可知92＋0＝56＋36＋3Z，可得Z＝0，由质量数守恒得235＋1＝144＋89＋3A，解得A＝1，所以该核反应方程中的X为n，故B正确，D错误；由能量守恒定律可知，该核反应中释放的核能为ΔE＝E2＋E3－E1，故C错误。
11．选AB 根据核反应方程的核电荷数和质量数守恒可知，钍233变成铀233的核反应方程式是Th―→Pa＋e，Pa―→U＋e，A正确；中间产生的新核镤233(Pa)从高能级向低能级跃迁时，放出能量，会伴随γ辐射，B正确；整个过程中释放能量，则生成的新核铀233(U)更加稳定，则新核铀233(U)的结合能大于钍233(Th)的结合能，C错误；在核电站的核反应堆内部，核燃料具有的核能通过核裂变反应转化为内能，然后通过发电机转化为电能，故D错误。
12．选AC Th衰变为Rn，设经过m次α衰变、n次β衰变，根据质量数与核电荷数守恒有234＝222＋4m,90＝86＋2m－n，解得m＝3，n＝2，即Th衰变为Rn经过3次α衰变、2次β衰变，故A正确；H＋H―→He＋n是轻核聚变方程，Th―→Pa＋e是β衰变方程，故B错误；U＋n―→Ba＋Kr＋3n是重核裂变方程，也是原子弹的核反应方程之一，故C正确；钍的半衰期为24天，1 g钍经过120天后，发生5次衰变，根据m＝m05＝0.031 25 g，故D错误。
13．解析：(1)核反应方程为H＋H―→He＋n。
(2)由爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 2－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×(3.0×108)2 J≈2.8×10－12 J。
(3)每年消耗氘的质量为m＝·m氘≈23 kg。
答案：(1)H＋H―→He＋n (2)2.8×10－12 J (3)23 kg
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