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1、核裂变和裂变反应堆,知识梳理图,【知识点】 1.重核的裂变 2.链式反应 3.核反应堆,情景设置 我们已经知道在核反应中可以放出大量能量,核电站就是利用核反应中放出的能量发电的,用这种方式发电比煤发电要好得多,我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等.核裂变过程中释放的能量相当巨大.那么重核是如何裂变的呢?,深化探究 一重核的裂变 1.定义:使重核分裂成中等质量的原子核的反应叫重核裂变. 重核的裂变只发生在人为控制的核反应中,自然界不会自发的产生. 2.铀核的裂变 (1)发现:1938年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
2、)裂变方程:裂变的产物是多种多样的,一种典型的铀核裂变的产物是钡和氪同时放出3个中子,核反应方程如下: 235 92U+10n144 56Ba+8936Kr+310n,(3)链式反应:当中子进入铀235后,分裂成两个中等质量的原子核,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,这就叫链式反应.如下图所示,这个反应速度很快,不加控制的话,能量在很短的时间内急剧释放(原子弹),如果采用其他方法,对反应速度加以控制的话,能量缓慢释放(核电站),(4)临界体积:铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素,如果铀块的体积不够大,中子在铀块中通过时,就
3、有可能碰不到铀核,链式反应不能继续,通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做临界体积,相应的质量叫临界质量. 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.,核电站的核心是核反应堆,核反应堆的主要组成及其作用 1.核燃料:反应堆使用浓缩铀(铀235占3%-4%),制成铀棒作为核燃料,释放核能. 2.中子慢化剂:铀235具有容易俘获慢中子,不易俘获快中子的特点,而核反应释放的中子多数为快中子,应用慢化剂使它们速度降下来,常用的慢化剂的物质有石墨重水和普通水(轻水). 3.控制棒:由吸收中子能力很强的镉制成的,用以控制核反应速度. 4.保护层:反应堆外层是
4、很厚的水泥壁,可防止射线辐射. 5.热交换器:靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动把产生的热量传输出去.,典例分析 一对裂变的理解 例1:关于铀核裂变,下述说法中正确的是( ) A.铀核裂变的产物多种多样,但只能裂变成两种不同的核 B.铀核裂变时一般释放2-3个中子 C.为了使裂变的链式反应能够进行,铀块的体积必须大于等于临界体积 D.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,裂变的产物多种多样,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况多,也有的分裂成多块并放出几个中子,故A选项错误;B选项正确;铀发生裂变反应后释放2-3个中 子.如果发生链式反应,铀块的体积必须大于
5、等于临界体积,否则中子穿过铀块时,可能不与铀核发生碰撞,从而反应不能继续下去,故C选项正确,D选项错误. 答案:BC,巩固练习1:关于重核裂变,以下说法正确的是( ) A.重核裂变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.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:根据重核裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量,故A选项错误;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
6、体积较小,中子从铀块中穿过时,碰不到原子核,则链式反应就不能发生,故B选项错误;在裂变中质量数电荷数都守恒,故C选项错误;在裂变反应中,有质量亏损,释放核能,故D选项正确. 答案:D,二裂变中能量的计算 例2:用中子轰击铀核(235 92U),其中一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分,放出了中子,各个核的质量如下 mU=390.313910-27 kg mn=1.674910-27 kg mBa=234.001610-27 kg mKr=152.604710-27 kg 试写出核反应方程,算出反应中释放的核能.,解析:(1)核反应方程为 10n+235 92U1
7、41 56Ba+9236Kr+310n (2)核反应前后的质量亏损 m=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357810-27 kg 由爱因斯坦质能方程,得 E=mc2=0.357810-27(3.00108)2 J=3.220210-11 J 答案:(1)10n+235 92U141 56Ba+9236Kr+310n (2)3.220210-11 J,巩固练习2:已知一个铀235核裂变时能释放200 MeV的能量,问1 kg铀完全裂变能释放多少能量?相当于多少吨燃烧值为2.94107 J/kg的煤所放出的能量?,解析:解答本题可按以下思维过程进行 一个铀235裂变释放的能量1 kg铀的原
8、子核数1 kg铀235裂变释放的能量相当于x吨煤释放的能量 首先求出1 kg铀235中含有的原子核数,然后即可根据已知求解. (1)1 kg铀235中含有的原子核数为: 6.021023个=2.5621024个 每个轴核裂变放出200 MeV的能量,则1 kg铀核裂变能释放E=2.5621024200 MeV=5.1241026 MeV=5.12410321.610-19 J=8.21013 J.,(2)设与1 kg铀235相当的优质煤是m kg,则有: m2.94107 J/kg=8.21013 J kg=2.789106 kg=2789 t 答案:(1)8.21013 J (2)2789
9、t,梯度练习 基础强化 1.关于裂变反应,下列说法中正确的是( ) A.用中子轰击铀核发生裂变,一定分裂为质量差不多的两块 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能产生二三或四部分 D.所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应 答案:BC,2.为使链式反应平稳进行,可采用下列的办法( ) A.铀块可分制成任何的体积 B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核 C.通过慢化剂将产生的中子减速 D.用镉棒可作为慢化剂使中子减速,解析:由于使铀块发生链式反应的体积大于临界体积,故A选项错误;铀核裂变产生的中子为快中子,不能直接去轰击铀核,必须使用慢化剂减速,而镉棒是用来控制
10、中子数量的,故C选项正确,BD选项错误. 答案:C,3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要有哪四部分组成( ) A.核燃料减速剂冷却系统控制调节系统 B.核燃料减速剂发热系统和传热系统 C.核燃料减速剂碰撞系统和传热系统 D.核燃料中子源核能聚存系统和输送系统 答案:A,4.裂变反应中释放的能量来自于( ) 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 答案:D,5.原子核反应有广泛的应用,如用于核电站等,在下列核反应中属于裂变反应的是( ) A.10 5B+10n73Li+42He B.2
11、38 92U234 90Th+42He C.14 7N+42He17 8O+11H D.235 92U+10n141 56Ba+9236Kr+310n 答案:D,6.当一个重核裂变时,它所产生的两个核( ) A.含有的质子数较裂变前重核的质子数减少 B.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.可能是多种形式的两个核的组合 答案:BD,能力提升 7.1个铀235吸收1个中子发生核反应时,大约放出196 MeV的能量,则1 g纯铀235完全发生反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)( ) A.NA196 MeV B.235NA196 MeV C.23
12、5196 MeV D.,解析:由于1 mol铀的质量为235 g,1 g铀235的摩尔数为 ,因此1 g铀235释放的能量为 ,故D选项正确. 答案:D,8.镉棒在反应堆中所起的作用( ) A.使快中子变成慢中子 B.使慢中子变成快中子 C.使反应速度加快 D.控制反应速度,调节反应速度的快慢 答案:D,9.核反应堆的燃料是_,石墨重水等作为_使裂变时产生的中子速度减小,易于被镉棒吸收;用镉棒_以控制核反应堆的_,再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量. 解析:在核反应堆中的核燃料是铀235,用石墨、重水等作减速剂,用镉棒来吸收中子,以控制反应速度. 答案:铀235 减速剂 吸收中子 速度,10.原子反应堆的功率为104 kW,1 h消耗的核燃料为8.75 g,已知一个铀235裂变时放出200 MeV的核能,求该铀燃料中铀235所占的百分比. 解析:反应堆每小时产生的能量为: E=Pt=1073600 J=3.61010J 每个铀核裂变释放的能量 E1=2001061.610-19 J =3.210-11J,每小时需要铀235的质量为 所占比例 答案:5%,
