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6核裂变学习目标素养提炼1.知道核裂变的概念，知道重核裂变能释放出巨大的能量．2.知道什么是链式反应及其发生的条件．3.了解原子弹的原理及常用的裂变反应堆的类型．4.知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点.物理观念：核裂变、临界体积、链式反应、核电站．科学思维：利用能量守恒、动量守恒观点处理核裂变问题．科学探究：核电站的组成、工作原理及核污染的处理.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、核裂变及链式反应1．核裂变：重核被轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出的过程．2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，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＋10n→14456Ba＋8936Kr＋.3．链式反应：当一个引起一个重核后，裂变释放的再引起其他重核，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于或裂变物质的质量大于．中子核能310n临界体积临界质量中子裂变中子裂变[判断辨析](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)铀核裂变时会吸收大量的能量．()×√×二、核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用、重水或普通水作慢化剂．(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料释放能量，使反应区温度升高．反应堆铀棒石墨吸收中子裂变3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．4．核污染的处理：为避免核射线对人体的伤害和物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的，需要装入特制的容器，深埋地下．循环流动放射性水泥层放射性[思考]核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？提示：控制棒由镉制成．镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度.要点一对重核裂变和链式反应的分析[探究导入]如图为核裂变示意图．(1)重核裂变是一种天然现象吗？(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？提示：(1)重核裂变是在中子撞击下发生的裂变现象，不是一种天然现象．(2)铀块体积(质量)应大于或等于临界体积(临界质量)才能发生链式反应．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＋210n②23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n2．链式反应的条件(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．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最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，且裂变的概率小．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.[典例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．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]解答此题时应关注以下三点：(1)原子核裂变时核能的来源．(2)链式反应能够发生的条件．(3)裂变反应遵循的规律．[解析]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，其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量，A错误．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，B错误．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减少的，C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，D正确．[答案]D[总结提升]重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．1．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是()A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变发生质量亏损，但质量数、电荷数均守恒，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，裂变成两块的情况居多，但也有分裂成多块的情况，铀核裂变时释放2～3个中子，铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积．故上述选项B、C正确．答案：BC2．(多选)下列关于核裂变和核辐射的方程中正确的是()A.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋1010nB.23994Pu→23592U＋42HeC.13755Cs→13756Ba＋0－1eD.13153I→13154Xe＋0－1e解析：选项A中，质量数不守恒，故A错误；核辐射是放出α、β、γ三种射线，选项B为α衰变，放出α射线，选项C、D为β衰变，放出β射线，故B、C、D正确．答案：BCD要点二核电站的结构及其工作原理[探究导入]如图所示为核电站工作流程示意图：(1)核电站的核心设施是什么？(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？提示：(1)核反应堆．(2)核能的大部分转化为内能，内能再转化为电能．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)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)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的升降，就能使反应堆安全正常地工作．(3)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．3．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．[特别提醒](1)核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体和烟尘，有利于环境保护．(2)为防止放射性物质的泄漏，核电站一般有4道安全屏障，大大提高了核能利用的安全性．[典例2]秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电，发电站的核能来源于23592U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23592U的体积来控制的B.23592U的一种可能裂变是23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋210nC.23592U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，A错；23592U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B对；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，C错；核电对环境的污染比火电小，D错．[答案]B3．(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n.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：由裂变反应式可知选项A正确，铀块体积大于临界体积，才能发生链式反应，且铀核的链式反应是可控的，选项C正确，选项B错误；放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，选项D错误．答案：AC4.如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解析：快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误．答案：B重核裂变释放核能的计算1．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．2．在计算释放的核能时：质量单位为“u”时，可直接用“1u的质量亏损放出能量931.5MeV”计算总能量；当质量单位为“kg”时直接乘以(3.0×108)2，总能量单位才是焦耳．5．铀核(23592U)裂变生成钡(14456Ba)和氪(8936Kr)．已知23592U、14456Ba、8936Kr以及中子的质量分别是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u．我国秦山核电站的功率为30×104kW,1u的质量为1.66×10－27kg，假如23592U能够完全发生裂变，其中有一半核能转化为电能，则电站一年要消耗多少23592U?解析：核裂变方程为23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n，则一个23592U裂变释放出来的核能ΔE＝(235.0439u－140.9139u－91.8973u－2×1.0087u)×c2＝0.2153×1.66×10－27×(3×108)2J≈3.21×10－11J.每年核电站产生的总能量E＝Pt＝30×107×365×24×3600J≈9.461×1015J，所以每年消耗的铀核