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 第5节 核能的利用与环境保学案word含解析

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
(1)定义
用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程称为核裂变。
(2)铀核的裂变
①一种常见的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n
②在不同的裂变反应中，U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放200 MeV的能量来估算，1 kg的U全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
2.链式反应
(1)定义：在U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。
(2)发生条件：铀核的体积达到临界体积。
[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。(√)
α衰变不是核裂变，α衰变是原子核自发地放出α粒子，核裂变是重核在外界影响下分裂为两个或多个质量相近的原子核。
U不止一种裂变方式，如还有：U＋n→Xe＋Sr＋2n
原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙。如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去。
知识点二　轻核聚变与可控热核反应
1.轻核聚变
(1)定义：采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样的核反应称为轻核聚变。
(2)太阳内部的核聚变：太阳内部核聚变的反应方程为H＋H→He＋n，平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV，要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。
(3)轻核聚变的优点：聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得。氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应n＋Li→He＋H得到。
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核力作用的范围。以氘核发生聚变为例，必须在大约108 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，原子已完全电离，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、磁约束、惯性约束。
[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。(√)
轻核聚变不是重核裂变的逆过程。
轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能。
轻核聚变的原材料丰富，反应产物对环境无污染。
目前实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。
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核能转化为电能的发电厂。
(2)目前核电站的反应堆以U为燃料，发电成本低于煤电。
(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用。
2.核武器
(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。
(2)氢弹是一种不需人工控制而实现核聚变的反应装置，它利用H和H迅速地聚变成He，产生比原子弹更为强烈的爆炸。
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小。
(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。
[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。(√)
目前我国核电不到全国累计发电总量的4%，仍有很大的上升空间。
轻核聚变需要几百万开尔文的高温，氢弹是靠原子弹爆炸时产生的高温引爆的。
核能发电一旦出现崩塌造成核泄漏，就会污染大片地区，造成人员伤亡。
核能发电产生的核废料具有很强的放射性，并且半衰期也很长，需要装入特制的容器，深埋地下。
核心要点 　重核裂变与核反应堆
[问题探究]
如图为铀核裂变示意图。
(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？
答案　(1) 重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状，最后分裂成两部分，同时放出中子。铀核裂变的一种核反应方程为 U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
[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。
2.U两种典型的裂变方程
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
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(　　)
A.这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
B.这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C.实验中产生的γ射线穿透能力极强
D.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算
解析　根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n→
Ba＋Kr＋3n，选项A正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B错误，D正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项C正确。
答案　ACD
核心要点 　对轻核聚变的理解
[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。
[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(　　)
A.“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B.“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C.根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D.根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
解析　H＋H→He＋n是轻核聚变方程，故A正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故C正确。
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
1.(对核裂变的理解)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应为U＋n→Ba＋Kr＋3n，下列说法正确的有(　　)
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　从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A正确；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错误；铀核的链式反应可人工控制，C正确；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错误。
答案　AC
2.(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为2He→2H＋He，关于He
聚变下列表述正确的是(　　)
A.聚变反应不会释放能量
B.聚变反应产生了新的原子核
C.聚变反应没有质量亏损
D.目前核电站都采用He聚变反应发电
解析　核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B正确，A、C错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电，D错误。
答案　B
3.(核聚变能量的计算)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n。已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
解析　氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确。
答案　B
4.(核能的利用与环境保护)(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是(　　)
A.核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能
B.采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高
C.核燃料的危害主要是其具有放射性
D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能
解析　核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确；“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确；放射性对人体和环境都有危害，C正确；太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D错误。
答案　ABC
基础过关
1.链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是(　　)
A.质子 B.中子
C.β粒子 D.α粒子
解析　在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子。
答案　B
2.(多选)当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　)
A.含有的总质子数比裂变前重核的质子数少
B.含有的总中子数比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.可能是多种形式的两个核的组合
解析　一个重核裂变时，在产生两个核的同时，也放出中子，所以新产生的两个核的总中子数比裂变前重核的要少，两个核的总质子数与裂变前重核的质子数相等，A错误，B正确；裂变时放出的能量主要是反应前后质量亏损而产生的能量，要远大于俘获中子时得到的能量，C错误；重核裂变的产物是多种多样的，D正确。
答案　BD
3.中国承诺2020年碳排放量下降40%～45%，为了实现负责任大国的承诺，我们建了核电站项目。目前关于核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　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，选项A正确；B为β衰变，C是发现质子的核反应方程，D是α衰变。
答案　A
4.在众多的裂变反应中，有一种反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋aX，其中X为某种粒子，a为X的个数，则(　　)
A.X为中子，a＝2 B.X为中子，a＝3
C.X为质子，a＝2 D.X为质子，a＝3
解析　根据核电荷数守恒可知，X的电荷数为0，X必为中子n，由质量数守恒可知，a＝3，选项B正确。
答案　B
5.下列关于热核反应是一种理想能源的原因的说法中不正确的是(　　)
A.就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多
B.对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理
C.热核反应的原料在地球上储量丰富
D.热核反应的速度容易控制
解析　受控热核反应的实际应用的技术尚不成熟，它的反应速度是不易控制的。
答案　D
6.(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是(　　)
A.这是一个聚变反应
B.核反应方程式为H＋H→He＋n
C.目前核电站都采用上述核反应发电
D.该核反应没有质量亏损
解析　1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为H＋H→He＋n，这是聚变反应，故A、B正确；目前核电站采用重核裂变发电，故C错误；该反应放出能量，所以一定有质量亏损，故D错误。
答案　AB
7.(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的份额，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，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.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C.所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
D.如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小
解析　目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错误，如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确。
答案　ABD
8.(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是(　　)
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量的被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量总和可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
解析　控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，选项A正确；日本后来向反应堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，选项B、D正确；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故选项C错误。
答案　ABD
能力提升
9.一个铀235吸收一个中子发生核反应时大约放出196 MeV的能量，则1 g 纯U完全发生核反应时放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)
A.NA×196 MeV B.235NA×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的物质的量为，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故选项D正确。
答案　D
10.(多选)2009年10月31日8时6分，中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在北京逝世，享年98岁。人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家。下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是(　　)
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
解析　“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D。
答案　BD
11.秦山核电站第三期工程的两个6×105 K发电机组已实现并网发电，发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)
A.反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的
B.U的一种可能的裂变是U＋n→Xe＋Sr＋2n
C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短
D.虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重
解析　反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，选项A错误；U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，选项B正确；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，选项C错误；核电站的核能是清洁能源，污染少，选项D错误。
答案　B
12.(多选)核电站的核能来源于U核的裂变，下列说法中正确的是(　　)
A.反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理
B.U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如Xe和Sr，反应方程式为U＋n→Xe＋Sr＋2n
C.U原子核中有92个质子、143个中子
D.一个U核裂变的质量亏损为Δm＝0.215 5 u，则释放的核能约201 MeV
解析　反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故A错误；发生核反应的过程满足电荷数和质量数守恒，可判断B正确；92为U元素的质子数，中子数为：235－92＝143，故C正确；根据质能方程与质量亏损可知，裂变时释放的能量是ΔE＝Δm·c2＝0.215 5×931.5 MeV≈201 MeV，故D正确。
答案　BCD
13.现有的核电站常用的核反应之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋
(1)核反应方程中的是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆核的质量为89.904 7 u，1 u＝1.660 6×10－27 kg，1 u相当于
931.5 MeV的能量。试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少？
解析　(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90。
(2)1 kg铀235中铀核的个数为
n＝≈2.56×1024(个)。
不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm＝0.212 u，释放的能量为ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV，
则1 kg铀235完全裂变释放的能量为
E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J。
答案　(1)40　90　(2)8.1×1013 J
14.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1 u＝1.66×10－27 kg。
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105 K的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×
108 m/s，结果取2位有效数字)
解析　(1)氘和氚聚变的反应方程为H＋H→He＋n。
(2)该反应过程的质量亏损
Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 8 u＝3.120 8×10－29 kg
释放的核能ΔE＝Δmc2＝3.120 8×10－29×(3×108)2 J＝2.8×10－12 J。
(3)设每年要消耗的氘的质量为M，氘原子的质量为MD
由能量守恒可得：·ΔE·η＝Pt
可得：M＝＝ kg＝23 kg。
答案　(1)H＋H→He＋n　(2)2.8×10－12 J (3)23 kg