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第6节核裂变学习目标1．知道什么是核裂变．2．知道链式反应，并能计算核裂变释放的核能．3．了解核反应堆的工作原理．4．知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、核裂变1．发现：1938年底，德国物理学家1__________和他的助手斯特拉斯曼，在用中子轰击铀核的实验中发现了2__________的裂变．2．定义：重核被中子轰击后分裂成两个质量3__________的新原子核，并放出4__________的过程．哈恩铀核差不多核能3．铀核裂变：用5__________轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是23592U＋6_______―→14456Ba＋8936Kr＋7________.4．链式反应：当一个8__________引起一个重核裂变后，裂变释放的9__________再引起其他重核裂变，且能不断继续下去的核裂变反应．中子10n310n中子中子5．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于10__________或裂变物质的质量大于等于11__________．二、核电站1．组成核电站是利用核能发电，它的核心设施是12__________，它主要由以下几部分组成：临界体积临界质量核反应堆(1)燃料：13__________．(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用14__________、重水或普通水作慢化剂．(3)控制棒：由吸收15__________能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料16__________释放的能量使反应区温度升高．铀棒石墨中子裂变3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外17__________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．4．核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和18__________物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面要修建很厚的19__________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的20__________，需要放入特制容器，深埋地下．循环流动放射性水泥层放射性|基础小题·做一做|1．正误判断(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子．()(2)α衰变是原子核分成了两部分，所以α衰变也是核裂变．()(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应．()××√(4)在核反应中，用来轰击铀核的是慢中子．()(5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度的．()(6)核反应堆用过的核废料无毒无害．()√√×2．链式反应中，重核裂变时放出的可以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：选B链式反应是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，故选项B正确．3．裂变反应中释放出的能量来自于()A．核子消失转化为能量B．原子中电子与原子核的电势能减小C．入射的中子消失转化为能量D．原子核的比结合能变大，释放出能量解析：选D核反应过程中，核子数守恒，中子并未消失，故选项A、C均错误；能量来源于原子核内部，因重核裂变为中等质量的核时，比结合能增加而释放出能量，故选项B错误，D正确．4．原子弹应用的是什么核反应，它是根据什么原理制成的，它是如何实现链式反应的？提示：原子弹是根据重核的裂变原理制成的，是铀核裂变的链式反应，制成时是由两块或几块小于临界体积分离的铀块构成，引爆时，可通过普通炸药使原来分离的几块铀块相互靠近挤压形成一块大于临界体积的铀块而发生链式反应，从而瞬间释放巨大的能量即核爆炸．|核心知识·记一记|1．核裂变：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应．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．3．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积，或裂变物质的质量大于临界质量.析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一核裂变和链式反应|要点归纳|1．铀核的裂变和裂变方程(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或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)常见的裂变方程①23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋210n.②23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n.2．链式反应的条件(1)有慢中子轰击．(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．4．铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238,0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．(1)铀235：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．(2)铀238：只有俘获能量大于1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小．能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变．因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.|例题展示|【例1】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．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少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[解析]重核裂变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或等于其临界体积，如果体积小于临界体积，中子可能从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数是守恒的，而核子数等于质量数，综上可知A、B、C错，D对．[答案]D【例2】现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是23592U＋10n→14360Nd＋AZZr＋310n＋80－1e＋ν.(1)核反应方程中的ν是中微子，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(U)核质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，钕(Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u；又知1u＝1.6606×10－27kg，试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？[解析](1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号9040Zr表示．(2)1kg铀235的铀核数为n＝1000235×6.02×1023≈2.56×1024个．不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212u．因此1kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝nΔm×931.5MeV＝2.56×1024×0.212×931.5MeV≈5.06×1026MeV.[答案](1)4090(2)5.06×1026MeV[规律方法]重核裂变释放的核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程计算．用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算．用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5MeV.(3)由核能的转化量计算．|对点训练|1．下列核反应中，表示核裂变的是()A.23892U→23490Th＋42HeB.146C→147N＋0－1eC.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310nD.94Be＋42He→126C＋10n解析：选C23892U→23490Th＋42He是α衰变146C→147N＋0－1e是β衰变94Be＋42He→126C＋10n是原子核的人工转变，只有C选项是重核裂变．2．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块的质量无关解析：选C要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．如果铀块的质量大，则其体积大，超过临界体积则发生链式反应，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．由此知A、B、D错误，C正确．3．一个23592U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23592U＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列说法正确的是()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．因为裂变释放能量，根据E＝mc2可知裂变后的总质量数增加D．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少解析：选A设X原子核的质量数为A，电荷数为Z，由核反应前后质量数守恒和电荷数守恒得235＋1＝A＋94＋2×1,92＝Z＋38，解得A＝140，Z＝54，X原子核中的中子数为N＝A－Z＝140－54＝86，由此可知选项A正确，B错误；裂变释放能量，由质能关系可知，其总质量减少，但质量数守恒，故选项C、D错误．★要点二核电站的组成和工作原理|要点归纳|1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称项目慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.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，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)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、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．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．|例题展示|【例3】原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统、传热系统C．原子燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统D．原子燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统[解析]原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全．[答案]A【例4】目前我国已启动第三代核电自主化依托工程，确定在2013年8月首次并网发电，届时它将成为世界上第一台使用AP1000核电技术的核电站.