6.2核裂变和裂变反应堆 学案

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6.2核裂变和裂变反应堆
学案
[学习目标定位]
1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.了解核反应堆的工作原理及常见核反应堆类型.3.知道热核反应，了解受控核聚变反应研究的发展．
1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
2．核能运算：ΔE＝Δmc2.
(1)若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；
(2)若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5
MeV计算核能．
3．核裂变
(1)历史事实
①1938年，德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪．
②1947年，我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇首先观察到中子轰击铀核的三分裂现象．
(2)核裂变：把重核分裂成几个中等质量原子核的现象．
(3)铀核裂变方程举例
U＋n→Ba＋Kr＋3n
4．链式反应
(1)链式反应：如果一个反应过程的产物能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应．21世纪教育网版权所有
当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他的铀核裂变，且能一代一代继续下去，这就是铀核裂变的链式反应．21·世纪
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(2)临界体积：能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫做临界体积，它是发生链式反应的一个重要因素．
5．核电站
(1)核反应堆：是控制链式反应的核心设施，是核电站的核心．
(2)分类：按引起裂变的中子能量分为慢中子反应堆和快中子反应堆．目前运行的大多是慢中子反应堆．根据减速剂的不同，又分为轻水堆、重水堆和石墨堆等．
(3)组成：反应堆由核材料、减速剂、控制棒、反射层、热交换器、防护层构成．
6．热核反应
(1)定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应，简称核聚变．核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应．www-2-1-cnjy-com
(2)核反应举例：H＋H→He＋n
(3)特点：在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多的能量；核聚变反应没有放射性废料产生；核聚变反应所用的燃料储量丰富.21cnjy.com
一、重核裂变
[问题设计]
(1)铀核裂变是如何发生的？
(2)重核裂变在自然界中能自发进行吗？
答案　(1)铀核的裂变
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．21
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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，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．【来源：21cnj
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m】
(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生．铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这样形成了链式反应．【版权所有：21教育】
[要点提炼]
1．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中两种典型的反应是U＋n→Ba＋Kr＋3n；U＋n→Xe＋Sr＋10n.21教育名师原创作品
2．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，叫做核裂变的链式反应．
3．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量．
(2)有足够数量的慢中子．
例1　关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
解析　铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1
MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确．【出处：21教育名师】
答案　BC
二、裂变过程中核能的分析与计算
[问题设计]
重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1说明．
图1
答案　中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大．
从题图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小．如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能．获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变．2·1·c·n·j·y
[要点提炼]
　铀核裂变释放核能的计算
1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.
2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能
计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1
u相当于931.5
MeV的能量．2-1-c-n-j-y
3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.21
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例2　2011年3月11日，日本发生了9.1级大地震，并引发海啸，在此次灾害中，日本福岛核电站发生了核泄露，对附近的环境造成了很大的危害．核泄露产生的射线具有非常大的危害性，能够使动植物体内的细胞发生癌变，致使生物死亡．根据以上材料回答以下问题：核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量，完成下面铀核裂变可能的一个反应方程U＋n→Ba＋Kr＋________，并计算1
kg铀核裂变放出的能量是______
J．(结果保留两位有效数字，U、Ba、Kr和中子的质量分别为235.049
3
u,140.913
9
u,91.897
3
u,1.008
7
u，1
u＝1.66×10－27
kg)
解析　一个铀原子核裂变放出的核能为ΔE＝Δmc2＝(235.049
3
u－140.913
9
u－91.897
3
u－2×1.008
7
u)×1.66×10－27
kg×(3×108
m/s)2＝3.3×10－11
J，
E＝NA·ΔE
＝×6.02×1023×3.3×10－11
J＝8.45×1013
J.
答案　3n　8.45×1013
三、核聚变发生的条件及特点
[要点提炼]
1．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．
2．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．www.21-cn-jy.com
3．核裂变与核聚变的区别
反应方式比较项目
核裂变
核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个①中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成②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大约要③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④简单得多
例3　太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．21教育网
(1)写出这个核反应方程．
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026
J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
(mp＝1.007
3
u，mHe＝4.001
5
u，me＝0.000
55
u)
解析　(1)核反应方程4H→He＋X，而X只能是2个正电子．因此核反应方程应为4H→He＋2e.21·cn·jy·com
(2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.007
3
u＝4.029
2
u，反应后m2＝mHe＋2me＝4.001
5
u＋2×0.000
55
u＝4.002
6
u，Δm＝m1－m2＝0.026
6
u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026
6×931.5
MeV＝24.78
MeV.【来源：21·世纪·教育·网】
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量
Δm＝＝
kg＝4.2×109
kg.
答案　(1)4H→He＋2e　(2)24.78
MeV
(3)4.2×109
kg
核裂变核聚变
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