高中物理人教物理选修1-2第3章第五节核能的利用35张PPT

(共35张PPT)
第五节　核能的利用
学习目标
1.知道裂变、链式反应及链式反应的条件，能根据裂变方程计算裂变放出的能量．
2 .知道聚变和聚变反应的特点、条件．
3 .会写聚变方程，能根据聚变方程计算放出的能量．
4 .知道什么是核反应堆，了解核电站放射性物质的处理方法

第五节
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
学习目标
课前自主学案
一、核裂变
1．定义：使重核分裂成_____质量的原子核的核反应．
2．链式反应：由重核裂变产生的中子继续与其他重核发生_______ ，使核裂变反应一代接一代继续下去的过程．
3．临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的_____体积叫做它的临界体积，相应的_____叫做临界质量．
中等
核裂变
最小
质量
二、核聚变和受控热核反应
1．核聚变
(1)定义：由两个_____结合成质量较大的核的反应.
(2)条件：核聚变反应必须在_____(达到几百万摄氏度)下进行，因此聚变也叫热核反应．
(3)特点：①产能效率高；②聚变燃料储量丰富；③安全、清洁．
2．受控热核反应：实现受控热核反应的实验方案,目前有_______聚变和_________聚变两种．
轻核
高温
磁约束
惯性约束
三、核电站
核电站主要组成部分是常规岛和核岛，其热源是_______.
四、核电站的常规岛与核岛
1．由于核电站的发电系统与通常的热电厂相同，所以安装这些设备的区域叫做常规岛．
2．核反应堆：用来释放核燃料中的_____的装置叫核反应堆，安装反应堆的建筑称为核岛．
反应堆
核能
五、核电的安全
1．核电引起的安全问题主要有两个方面：一是:核反应失控，引起_______物质外泄；二是:放射性_____处理不当，会产生环境污染．
2．为了防止核电站事故的发生，现有的反应堆都有四道安全屏障：第一道是耐高温耐腐蚀的陶瓷体燃料芯块，第二道是燃料元件包壳，第三道是_______ ，第四道是_______.
放射性
废料
压力壳
安全壳
3．对核电站放射性废物的处理，固体要先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的处置场永久贮存，一般要存放几百年；对气态废物和液态废物的处理，主要是采取_________等方法进行稀释，然后排放到指定的区域．
六、核能的多种用途
1．利用核能的主要途径是_____.
2．在能源结构上，用于供暖等低温用热占总热耗量的50%左右．
3．核能源可以低功率长期供电，作为航天器的电源．
4．核动力已经广泛应用于海洋舰艇．
贮存衰变
发电
核心要点突破
一、重核的裂变
1．发现：1938年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．
3．裂变的解释：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，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，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，这就叫链式反应，如图3－4－1所示．
图3－4－1
4．裂变的条件：首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多中子，就形成了链式反应．这个反应速度很快，若不加以控制，能量会在很短的时间内急剧释放(原子弹)；如果采用其他方法对反应速度加以控制的话，能量就会缓慢释放(核电站)．
二、轻核的聚变
1．聚变
把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变．聚变反应又称为热核反应．
2．聚变方程
3．轻核发生聚变的条件
要使轻核发生聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15 m就必须克服电荷间很大的
斥力作用，这就要求使核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生．
三、聚变与裂变的区别
重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的．
1．原理不同
重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出巨大的能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量．
2．放出能量的大小不同
重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核聚变时，平均每个核子释放出的能量在3兆电子伏以上，即聚变比裂变放出更多的能量．
3．废料处理难度不同
裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多．
4．“燃料”的丰富程度不同
热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0.03克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当．而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7%，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多．我国是一个“贫铀”的国家，贮藏量不多．
5．两种反应的可控制性不同
裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．我国可控热核反应的研究情况：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流器一号”顺利启动.1994年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT－7超导托卡马克”已安装调试成功，我国在研究可控热核反应方面已经具有一定的实力．
课堂互动讲练
对重核裂变的认识

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
D．铀核裂变为中等质量的原子核时，要发生质量亏损，放出核能
【精讲精析】　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即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的．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．在裂变反应中核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错．铀核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减少，还会再发生质量亏损，从而释放出核能．
【答案】　D
【方法总结】　重核发生裂变的条件是：(1)要俘获慢中子；(2)铀块体积大于临界体积．重核裂变时都发生质量亏损，放出核能．
变式训练1　　　
关于铀核裂变，下述说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是各种各样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变时还能同时释放出多个中子
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：选BC.铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，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．故选项B、C正确．
对核聚变的理解
　　　 关于聚变，以下说法正确的是(　　)
A．两个轻原子核聚变为一个质量较大的原子核放出的能量比一个重核分裂成两个中等质量的原子核放出的能量大很多倍
B．一定质量的聚变物质聚变时放出的能量比相同质量的裂变物质裂变时释放的能量大很多倍
C．聚变发生的条件是聚变物质的体积大于临界体积
D．发生聚变反应时，原子核必须有足够大的动能
【精讲精析】　一个重核裂变释放的能量大于两个轻核聚变时释放的能量．如一个铀235核裂变成锶和氙，释放141 MeV能量，一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核，只释放17.6 MeV能量，但轻核的每个核子平均释放的能量(3.52 MeV)大于重核每个核子平均释放的能量(0.6 MeV)．一定质量的轻核数目远大于同质量的重核的数目．所以一定质量的轻核聚变释放的能量远大于同质量的重核裂变释放的核能．
只有在几百万摄氏度高温下，原子核获得足够大的动能，才能克服相互间库仑力而互相靠近，当两原子核距离靠近到小于10－15 m时，在核力的作用下聚合成一个新原子核．
【答案】　BD
变式训练2
　　　　　　　据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
答案：AC
核能的计算
【答案】　见精讲精析
【方法总结】　在原子核发生裂变时，往往有中子参与裂变反应，有的同学在计算核能时，认为中子不是原子核，从而忽略了中子的质量，造成错解．解决办法是严格按照质量亏损的步骤、方法计算．
变式训练3　
答案：2.64×1027MeV
知能优化训练
本部分内容讲解结束
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