4.2 核裂变 学案 (2)

第2节核裂变
课　标　解　读
重　点　难　点
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．会计算重核裂变过程中释放出的能量．4．知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型.
1.链式反应及其释放能量的计算．(重点)2．重核裂变的核反应方程式的书写．(重点)3．链式反应及重核裂变的理解．(难点)
重核的裂变
1.基本知识
(1)定义
重核分裂为质量较小的核，释放出能量的反应．
(2)条件
中子轰击铀核，一般分裂为质量差不多的两块．
(3)裂变能
核裂变释放的能量，也称核能或原子能．
(4)链式反应
当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为链式反应．
(5)反应产物
U裂变的产物多种多样，其中有代表性的有
n＋U→Sr＋Xe＋2n
n＋U→Ba＋Kr＋3n.
(6)临界体积
能够发生链式反应的铀块的最小体积．
2．思考判断
(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程．(×)
(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变．(√)
(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹．(√)
3．探究交流
重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？
【提示】　重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒．
裂变反应堆
1.基本知识
(1)核反应堆：能维持和控制核裂变的装置．
(2)核反应堆的构成：堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．
①堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．
②中子反射层：反射核裂变中产生的中子，使其进一步参加链式反应．
③控制棒：用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．
2．思考判断
(1)核反应堆可以人工控制核反应速度．(√)
(2)减速剂的作用使快中子减速变成慢中子．(√)
(3)链式反应一旦形成无法进行人工控制．(×)
3．探究交流
核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？
【提示】　核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1
m～2
m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害.
铀核的裂变及链式反应
【问题导思】　
1．什么是裂变反应？
2．发生链式反应的条件是什么？
1．铀核的裂变
(1)两种典型的裂变反应：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
U＋n→Sr＋Xe＋2n
(2)U核裂变释放的能量是巨大的，平均结合能是7.5
MeV.而中等质量的核的平均结合能是8.5
MeV，裂变反应中每个核子释放的能量约1
MeV.
2．裂变的解释
(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2～3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．链式反应的条件
铀块的体积等于或大于临界体积(铀块的质量等于或大于临界质量)．
　(2013·福州检测)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，所以核子数要减小
D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
【解析】　根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．释放的能量是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其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.
【答案】　D
1．(2013·重庆高考)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：
U＋n→a＋b＋2n
则a＋b可能是(　　)
A.Xe＋Kr　　　　　
B.Ba＋Kr
C.Ba＋Sr
D.Xe＋Sr
【解析】　利用质量数守恒和电荷数守恒可以判断出可能的核反应方程．选项A不满足电荷数守恒也不满足质量数守恒，选项C不满足电荷数守恒；选项B不满足质量数守恒；只有选项D正确．
【答案】　D
裂变反应堆的认识
【问题导思】　
1．裂变核反应堆由哪几部分组成？
2．原子弹的反应和核反应堆的反应一样吗？
3．为什么用重水和石墨作为减速材料？
1．核反应堆的组成
核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．
2．核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
3．核电站发电的主要原理
核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
　
用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料，放在燃料棒四周，使中子速度减慢以有助于铀235发生裂变．减速后的中子能量最后都变为热能，所以这种速度变慢的中子称为热中子．
　(2013·海口检测)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
【解析】　镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故C正确．
【答案】　C
2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(　　)
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
【解析】　利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确．
【答案】　C
综合解题方略——重核裂变的特点及规律
　　
　关于重核裂变，下列说法正确的是(　　)
A．重核裂变成中等核要吸收能量
B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应
C．重核裂变过程中质量数减少
D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能
【规范解答】　中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量．由此知A错误，D正确．当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误．核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误．
【答案】　D
重核裂变的特点及规律
1．反应特点：重核裂变成中等质量的核．
2．裂变过程满足质量数和电荷数守恒．
3．裂变过程中有质量亏损，放出能量．
4．利用裂变产生的中子轰击其他原子核，发生链式反应．
【备课资源】(教师用书独具)
揭开远古核反应堆的神秘面纱
20亿年前，十几座天然核反应堆神秘启动，稳定地输出能量，并安全运转了几十万年之久．为什么它们没有在爆炸中自我摧毁？是谁保证了这些核反应的安全运行？莫非它们真的如世间的传言那样，是外星人造访的证据，或者是上一代文明的杰作？通过对遗迹抽丝剥茧地分析，远古核反应堆的真相正越来越清晰地展现在我们面前．
1972年5月，法国一座核燃料处理厂的一名工人注意到了一个奇怪的现象．当时他正对一块铀矿石进行常规分析，这块矿石采自一座看似普通的铀矿．与所有的天然铀矿一样，该矿石含有3种铀同位素——换句话说，其中的铀元素以3种不同的形态存在，它们的原子量各不相同：含量最丰富的是铀238；最稀少的是铀234；而人们垂涎三尺、能够维持核链式反应的同位素，则是铀235.在地球上几乎所有的地方，甚至在月球上或陨石中，铀235同位素的原子数量在铀元素总量中占据的比例始终都是0.720%.不过，在这些采自非洲加蓬的矿石样品中，铀235的含量仅有0.717%！尽管差异如此细微，却引起了法国科学家的警惕，这其中一定发生过某种怪事．进一步的分析显示，从该矿采来的一部分矿石中，铀235严重缺斤短两：大约有200千克不翼而飞——足够制造6枚原子弹.
接连几周，法国原子能委员会的专家们都困惑不已．直到有人突然想起19年前的一个理论预言，大家才恍然大悟.1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治·W·韦瑟里尔指出，一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆，这个观点很快便流行起来．其后不久，美国阿肯色大学的一位化学家黑田和夫计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”的条件．所谓自持裂变反应，即可以自发维持下去的核裂变反应，是从一个偶然闯入的中子开始的．它会诱使一个铀235原子核发生分裂，裂变产生更多的中子，又会引发其他原子核继续分裂，如此循环下去，形成连锁反应．
黑田和夫认为，自持裂变反应能够发生的第一个条件就是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右．这个条件可以保证，裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前，就能被其他铀原子核吸收．
第二个必要条件是，铀235必须足够丰富．今天，即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座核反应堆，因为铀235的浓度过低，甚至连1%都不到．不过这种同位素具有放射性，它的衰变速率比铀238快大约6倍，因此在久远的过去，这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多．例如，20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候，铀235所占的比例接近3%，与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度大致相当．
第三个重要条件是，必须存在某种中子“慢化剂”，减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度，从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时，更加得心应手．最终，矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”，这些元素会吸收中子，因此可以令任何核裂变反应戛然而止．
最终，研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中，确定了16个相互分离的区域——20亿年前，那里的真实环境，居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似.
1．(2010·上海高考)现已建成的核电站的能量来自于(　　)
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】　核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．
【答案】　C
2．下列关于重核裂变的说法中正确的是(　　)
A．裂变过程中释放能量
B．裂变过程中吸收能量
C．反应过程中质量增加
D．反应过程中质量减少
【解析】　重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量．
【答案】　AD
3．(2013·保亭检测)下列核反应中，表示核裂变的是(　　)
A.92U―→90Th＋He
B.92U＋n―→56Ba＋Kr＋3n
C.P―→Si＋e
D.Be＋He―→6C＋n
【解析】　裂变是重核俘获中子后分裂成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程．
【答案】　B
4．利用重核裂变释放核能时选用铀235，主要因为(　　)
A．它比较容易发生链式反应
B．能自动裂变，与体积无关
C．铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能
D．铀235价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多
【解析】　铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，吸收低能量的中子裂变的几率更大．
【答案】　A
5．(2013·广东高考)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应(　　)
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
【解析】　根据裂变反应的规律和影响半衰期的因素解决问题．裂变反应式中的
【答案】　AC
1．关于我国已建成的秦山和大亚湾两座核电站，下面说法中正确的是(　　)
A．它们都是利用核裂变释放原子能的
B．它们都是利用核聚变释放原子能的
C．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能
D．两者的核燃料都是纯铀235
【解析】　现在所有的核电站都是用核裂变释放原子能的．
【答案】　A
2．关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的(　　)
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量
【解析】　核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量．则A、B、D正确，C错误．
【答案】　ABD
3．(2013·三亚检测)核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的组成部分有(　　)
A．原子燃料，减速剂，冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料，减速剂，发热系统和传热系统
C．原子燃料，减速剂，碰撞系统和传热系统
D．原子燃料，中子源，原子能存聚系统和输送系统
【答案】　A
4．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　　)
A．反应堆中铀的质量是重要因素与体积无关
B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D．能否发生链式反应与铀块的质量无关
【解析】　要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须等于或大于临界体积，如果组成铀块的体积小于临界体积，则不会产生链式反应．裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．
【答案】　C
5．一个92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为：92U＋n―→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A．X原子核中含有86个中子
B．X原子核中含有141个核子
C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2知裂变后的总质量数增加
D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
【解析】　X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，由静质量变为动质量，但是其总质量数是不变的，C、D均错．
【答案】　A
6．(2013·漳州检测)一个铀235吸收一个中子后发生反应的方程式是：92U＋n―→54Xe＋Sr＋10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于(　　)
A．(M－m1－m2)c2
B．(M＋m－m1－m2)c2
C．(M－m1－m2－9m)c2
D．(m1＋m2＋9m－M)c2
【解析】　铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得ΔE＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.
【答案】　C
7．铀核裂变反应中的一个核反应方程为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(　　)
A．质量亏损为Δm＝(235.043
9＋1.008
7－89.907
7－135.907
2)
u
B．质量亏损为Δm＝(235.043
9＋1.008
7－89.907
7－135.907
2－10×1.008
7)
u
C．释放的总能量为ΔE＝(235.043
9＋1.008
7－89.907
7－135.907
2－10×1.008
7)×(3×108)2
J
D．释放的总能量为ΔE＝(235.043
9＋1.008
7－89.907
7－135.907
2－10×1.008
7)×931.5
MeV
【解析】　质量亏损是反应物与生成物质量之差，差值可用“u”或“kg”作单位，前者直接用1
u的质量亏损放出931.5
MeV的能量计算，后者核能的单位是J，故B、D正确．
【答案】　BD
8．1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为阿伏伽德罗常数)(　　)
A．NA×196
MeV
B．235
NA×196
MeV
C．235×196
MeV
D.×196
MeV
【解析】　由于1
mol的铀核质量为235
g,1
g铀235的摩尔数为，因此1
g铀235释放的能量E＝×196
MeV，故D正确．
【答案】　D
9．(2013·三明检测)U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，还放出(　　)
A．1个α粒子　　　　　
B．3个中子
C．10个中子
D．10个质子
【解析】　由n＋U→Xe＋Sr＋X，根据反应规律知Z＝0，A＝10，由于Z＝0，放出的是中子，故N＝10.
【答案】　C
10．用中子轰击铀核(U)，其中一个可能的反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子．
各个核和中子的质量如下：
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，
试写出核反应方程，算出反应中释放的核能．
【解析】　此铀核裂变方程为
n＋U→Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357
8×10－27
kg，
由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357
8×10－27×(2.997
9×108)2
J＝3.215
7×10－11
J.
【答案】　n＋U→Ba＋Kr＋3n　3.215
7×10－11
J
11．1945年7月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹．落在日本广岛的原子弹，其爆炸释放的能量相当于2×104
t
TNT爆炸的能量(约8.4×1013
J)，由此可知该原子弹中铀235的质量是多少千克？(已知裂变的核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n＋201
MeV，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023)
【解析】　由核反应方程知，一个铀核裂变能放出201
MeV的能量，1
mol铀核裂变放出的能量为
ΔE1＝6.02×1023×201
MeV＝1.936×1013
J
1
mol铀核的质量为0.235
kg，则原子弹中铀核的质量为m＝×0.235
kg＝×0.235
kg＝1.02
kg.
【答案】　1.02
kg
12．(2012·宁德检测)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92U＋n―→56Ba＋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92U、56Ba、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是多少？
(2)有一座发电能力为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，核的质量mU＝390×10－27
kg，求每年(1年＝3.15×107
s)消耗的92U的质量．
【解析】　(1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗235U的功率为P′＝＝＝2.5×106
kW，
电站每年消耗235U的能量为W＝Pt＝2.5×109×3.15×107
J＝7.875×1016
J.
每年消耗235U的质量为
M＝mU＝
kg＝1
105
kg.
【答案】　(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1
105
kg