鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 第4节 核裂变和核聚变和第5节 核能的利用与环境保护课件 29 张PPT

第4节　核裂变和核聚变
第5节　核能的利用与环境保护
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.知道什么是核裂变。
2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。
3.知道核聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量。
利用质能方程计算重核裂变与轻核聚变释放的核能。
1.了解可控热核反应及其研究和发展。
2.了解核能利用的优势、危害及其防护措施。
知识点一　重核裂变与链式反应
[观图助学]
如图为原子弹爆炸时产生的蘑菇云，原子弹是核武器之一，爆炸时产生巨大冲击波会对周边几百平方公里的范围造成杀伤和破坏，并且带来大面积的放射性污染，那么，原子弹的原材料是什么？为什么能够释放如此巨大的能量？
1.重核的裂变
能量
200
2.链式反应
链式反应
最小
临界体积
[思考判断]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变。( )
(3)铀块的体积大于临界体积时链式反应才能不停地进行下去。( )
×
×
√
知识点二　轻核聚变与可控热核反应
1.轻核聚变
聚变
核能
大得多
巨大
获得
2.可控热核聚变
(1)热核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到 作用的范围。以氘核发生聚变为例，必须在大约 K高温下，使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态：轻核聚变温度到达108 K，在这样的高温下，原子已 ，形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束等离子体的三种方式：引力约束、 、惯性约束。
核力
108
完全电离
磁约束
[思考判断]
(1)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。( )
(2)轻核发生聚变反应不需要条件。( )
(3)轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围。( )
√
×
√
知识点三　核能的利用与环境保护
1.核电站
(1)核电站就是将反应堆释放的 转化为 的发电厂。
(2)目前核电站的反应堆以 为燃料，发电成本低于煤电。
(3)采用 可以使资源得到充分利用。
核能
电能
增殖反应堆
2.核武器
减速剂
不加控制
链式反应
人工控制
3.核能的优势与危害
(1)核能作为一种新能源，有很多优势。
①核能发电可缓解能源危机。
②在安全运行的情况下，核能发电比燃煤发电对环境带来的污染 。
(2)核能的利用也存在一些危害。
①核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料。
②核武器的威力巨大，不仅能摧毁地球上的生命，还会使生态环境受到严重破坏。
小
[思考判断]
(1)目前，除核裂变外，可控热核聚变也已经被广泛应用于核电站发电。( )
(2)因为核废料的高辐射性，核能发电比燃煤发电对环境的污染要大。( )
(3)核能作为一种新能源，能够缓解能源危机。( )
×
×
√
[问题探究]
如图为铀核裂变示意图。
核心要点
重核裂变与核反应堆
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
[探究归纳]
1.裂变过程放出能量的原因
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，发生质量亏损并释放出能量。
3.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。体积超过临界体积时，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。
4.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，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)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、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把热量传输出去，用于驱动汽轮机，使发电机发电。
(4)保护层：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。
[经典示例]
[例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.铀块的质量是重要因素，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，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，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，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确。
答案　C
[针对训练1] (多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)
答案　ACD
[问题探究]
为什么实现核聚变要使聚变的核燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案　轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；两原子核相互靠近时要克服库仑斥力做功，而由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
核心要点
对轻核聚变的理解
[探究归纳]
1.核聚变的特点
(1)轻核聚变是放能反应：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)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。
(3)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。
(4)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。
2.重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式
比较项目　　　
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，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容易得多
[经典示例]
[例2] (多选)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
[针对训练2] 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　)
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
解析　在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故选项A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项C、D错误。
答案　B