(共25张PPT)
随堂演练·巩固提升
以练促学·补短扬长
(共29张PPT)
第5章 核能与社会
第5章 核能与社会
裂变
临界体积
临界质量
浓缩铀
石墨
重水
普通水
中子
重水堆
核反应堆
高压蒸汽
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
5．2 裂变及其应用
1.知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化．(重点＋难点) 2.了解铀核的裂变特点，知道链式反应．(重点)
3．了解裂变反应堆的结构、类型及核电站的工作原理．
, [学生用书P69])
一、铀核的裂变
1．定义：重核裂变是用中子轰击铀核时发现的，中子轰击铀—235核，使该核变成处于激发态的复核，并分裂成两块质量差不多的新原子核，同时放出几个中子，称为裂变核反应．
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，铀核裂变的产物是多种多样的，其中一种典型的反应是
U＋n→Ba＋Kr＋3n．
二、链式反应及其条件
1．链式反应：铀核裂变时，通常会放出2到3个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其他的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做核裂变的链式反应．
2．临界体积：能够使铀块发生链式反应的最小体积(或对应的最小质量)称为临界体积(或临界质量)．
3．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量．
1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．( )
(3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
三、裂变反应堆
1．裂变反应堆的基本构造
(1)裂变材料(核燃料)：浓缩铀．
(2)慢化剂(减速剂)：通常用石墨、重水或普通水．
(3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度．
(4)反射层：一般用石墨做材料．
(5)热交换器：核反应堆中释放的能量大部分转化为热能，利用水循环，产生高温高压的蒸汽，从而推动蒸汽轮机，带动发电机发电．
(6)防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2 m厚的钢筋混凝土构成，可有效地防止射线对人体及其他生物体的侵害．
2．列变反应堆的常见类型：重水堆，高温气冷堆，快中子增殖反应堆．
3．核电站的工作模式：以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电．
2．(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．( )
(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．( )
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
铀核裂变及链式反应[学生用书P70]
1．发现：1938年12月，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．
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)能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一般来说，每个核子放出的平均能量约为1 MeV，1 kg铀全部裂变放出的能量相当于2 500 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温．
3．铀核裂变的条件
(1)铀块的体积大于临界体积．
(2)铀块的质量大于临界质量．
以上两个条件满足一个即可．
4．裂变过程为什么能放出能量
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.U裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒．但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．
计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．
已知m(U)＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，m(Ba)＝140.913 9 u，m(Kr)＝91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931.56 MeV
裂变前：m1＝(235.043 9＋1.008 7) u＝236.052 6 u
裂变后：m2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u＝235.837 3 u
质量亏损：Δm＝0.215 3 u
释放能量：ΔE＝0.215 3×931.56 MeV≈200.56 MeV.
(1)重核裂变是人为的核反应，自然界中不会自发的产生裂变．
(2)为了引起链式反应，最好用纯铀235，U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．
关于重核的裂变，下列说法正确的是( )
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．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
[思路点拨] 由链式反应发生的条件及释放能量与质量亏损关系进行判定．
[解析] 发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，但其释放的能量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，如果体积太小，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，故A、B均错误；在裂变反应中核子数是不会减小的，铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减小的，因此选项C错误；重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，要发生质量亏损，从而释放出核能，故选项D正确．
[答案] D
(1)重核发生裂变的条件是：铀块的体积要大于或等于临界体积．
(2)重核裂变释放核能的原因是：重核核子的平均质量大于中等核子的平均质量．
核电站及其组成部分的功能[学生用书P70]
1．核反应堆的主要组成部分及其作用
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
原子弹杀伤力巨大的原因是核能能在极短时间内释放出来. 核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．
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
[思路点拨] 镉棒具有吸收中子，控制反应速度的作用．
[解析] 镉棒不是粒子源不会放中子，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
关于核电站中核能的计算[学生用书P71]
在其他能源中，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＝________．mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr的核的质量，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＝___________________________.
(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中放出的核能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.
[思路点拨] 根据裂变反应遵循电荷数和质量数守恒可确定X和a，再由ΔE＝Δmc2求裂变释放的核能，注意此结果只是一个铀核裂变时释放的.
[解析] (1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X为中子(n)，且a＝3
根据爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2，得ΔE＝[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2.
(2)因核电站的核能转化效率为40%
故核电站消耗U的功率为
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
则核电站每年消耗U所释放的能量为
E＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016 J
故每年消耗U的质量为
m＝·mU＝×390×10－27 kg＝
1 105 kg.
[答案] (1)中子 3 [mU－(mBa＋mKr＋2mn)]c2
(2)1 105 kg
解此类题目要注意各物理量间的过渡换算，还要注意原子核数目的运算，且ΔE为一个重核裂变释放的能量，如果不注意这些此题就很难解决．
[随堂检测][学生用书P71]
1．目前核电站利用的核反应是( )
A．裂变、核燃料为铀 B．聚变、核燃料为铀
C．裂变、核燃料为氘 D．聚变、核燃料为氘
答案：A
2．原子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、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
解析：选A.通过学习，我们知道核反应堆的构成分四部分：原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统．
3．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是( )
A．它裂变放出核能比其他重核裂变多
B．它可能分裂成三部分或四部分
C．它能自动裂变，与体积无关
D．它比较容易发生链式反应
解析：选D.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，D项正确．
4．已知在铀235裂变成钡和氪的过程中，质量亏损Δm＝0.2153 u，则反应中平均每个核子释放的能量为多少？
解析：铀核裂变为不同的产物时，每个核子释放的能量不同，一般来说平均每个核子释放的能量为1 MeV.由爱因斯坦质能方程，可求得铀核裂变时放出的能量：
ΔE＝Δmc2＝0.2153×931.5 MeV＝201 MeV
铀核中含有235个核子，所以平均每个核子释放的能量为 MeV＝0.86 MeV.
答案：0.86 MeV
[课时作业][学生用书P119(单独成册)]
一、单项选择题
1．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：选C.使铀核裂变发生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，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．
2.U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba，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：选B.根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子，B项正确．
3．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，以改变反应堆中的中子数目
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
解析：选C.控制核反应堆中核反应的速度是靠调节中子数来实现的，故只有C正确．
4．一个铀235吸收一个中子后发生的反应式是U＋n→
Xe＋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：选C.铀235裂变时质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得：E＝Δmc2＝(M－m1－m2－9m)c2.
5．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.U＋n→Sr＋Xe＋10n
B.Na→Mg＋e
C.N＋He→O＋H
D.U→Th＋He
解析：选A.重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．
6．在核反应式U＋n→Sr＋Xe＋kX中( )
A．X是中子，k＝9 B．X是中子，k＝10
C．X是质子，k＝9 D．X是质子，k＝10
解析：选B.核反应方程应遵循电荷数守恒和质量数守恒，在题目所给核反应中，设X的质子数为x，则核反应方程的左边质子数为92＋0＝92，右边质子数为38＋54＋x＝92，x＝0，X的质子数为0，所以X为中子，左边质量数为235＋1＝236，右边质量数为90＋136＋k×1＝236，k＝10，所以k的数值为10.
7．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：选C.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．
二、多项选择题
8．当一个重核裂变时，它产生的两个核( )
A．一定是稳定的
B．所含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
解析：选BD.重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2～3个中子，故两核中子数会比原来的重核减少，重核裂变的产物是多种多样的，选项B、D正确．
9．为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D．重核裂变是非常清洁的能源，无任何污染
解析：选AC.目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A、C正确，B、D错误．
10．一个U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U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述不正确的是( )
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，所以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：选BCD.X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140(个)，B错误；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，但是其总质量数是不变的，C、D错误．
三、非选择题
11.U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200 MeV的能量，现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？(阿伏伽德罗常数取6.02×1023 mol－1)
解析：每天发电的总量
E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J.
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n＝ (个)＝1.35×1024(个)．
则对应的质量
m＝·μ＝×235×10－3 kg＝0.527 kg.
答案：0.527 kg
12.U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出能量．已知每个铀核裂变释放的平均能量为200 MeV.
(1)写出核反应方程；
(2)现在要建设发电功率为5×105 kW的核电站，用U作核燃料，假设核裂变释放的能量一半转化为电能，那么该核电站一天消耗U多少千克？(阿伏伽德罗常数取6.0×1023 mol－1)
解析：(1)核反应方程
U＋n→Ba＋Kr＋3n＋200 MeV.
(2)核电站一天发出的电能E1＝Pt①
设每天消耗U为m kg，核裂变释放的能量为
E2＝m×103×6.0×1023×200×106×②
由能量转化得E1＝ηE2③
由①②③式得m＝1.06 kg.
答案：(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n＋200 MeV
(2)1.06 kg
PAGE
9
