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1、6 核裂变 第十九章 原子核 学习目标 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 了解裂变反应堆的工作原理 知道如何控制核反应的速度以及如何防 止核污染 内容索引 重点探究 启迪思维 探究重点 达标检测 检测评价 达标过关 自主预习 预习新知 夯实基础 自主预习 一 核裂变 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 中子核能 3 链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后 裂变释放的中子再引起其他重核裂变 且能不断继续下去 这种反应叫
2、核裂变的 4 链式反应的条件 1 铀块的体积 或等于临界体积或铀块的质量 或等于临界质量 2 有足够数量的 中子 链式反应 大于大于 慢 二 核电站 1 核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为 2 慢化剂 反应堆中 为了使裂变产生的快中子减速 在铀棒周围要放 慢化剂 常用的慢化剂有 和 3 控制棒 为了控制反应速度 还需要在铀棒之间插进一些镉棒 它吸收 的能 力很强 反应过于激烈时 可将其插入 一些 多吸收一些 链式 反应的速度就会慢一些 这种镉棒叫做 核反应堆 石墨重水普通水 中子 深 中子 控制棒 4 能量输出 核燃料 释放的能量使反应区温度升高 水或液态的金属钠等物体
3、 在反应堆内外 把反应堆内的传输出去 用于 5 核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的 用来屏蔽裂变产物放出的各 种射线 核废料具有很强的 需要装入特制的容器 裂变 循环流动热量发电 水泥层 放射性深埋地下 判断下列说法的正误 1 铀核的裂变是一种天然放射现象 2 铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去 3 中子的速度越快 越容易发生铀核裂变 4 铀核裂变的产物是钡和氪 且固定不变 5 核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度 6 核反应堆用过的核废料无毒无害 即学即用 答案 重点探究 一 核裂变及链式反应 导学探究 如图1为铀核裂变示意图 1 铀核裂变是如何发生的 试写
4、出一种铀核裂变的核反应方程 图1 答案 答案 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 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 时放出中子 这些中子又引起其他铀核裂变 这样 裂变反应一代接 一代继续下去 形成链式反应 2 只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗 答案 答案 铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应 知识深化 1 常见的裂变方程 2 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
5、中子 3 铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应 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 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 答案解析 针对训练1
6、核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电 U是核 电站常用的核燃料 U受一个中子轰击后裂变成 Ba和 Kr两部分 并产生 个中子 要使链式反应发生 裂变物质的体积要 选填 大于 或 小于 它的临界体积 答案解析 3大于 二 核电站 导学探究 如图2所示为核反应堆示意图 答案 图2 1 核反应堆中各部件的作用是什么 答案 镉棒 吸收中子 控制反应速度 慢化剂 通常采用石墨 重水和普通水 作用是降 低中子速度 便于铀235吸收 铀棒 发生链式反应 产生能量 保护层 是很厚的水泥外壳 屏蔽射线 防止放 射性污染 2 核电站发电有什么优点 答案 答案 核电站发电的优点 消耗的核燃料少 作为核燃料
7、的铀 钍等在地球上可采储量所提 供的能量大 对环境的污染要比火力发电小 知识深化 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3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
8、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 图3 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 用于推动蒸汽机 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 3 核电站发电的优点 1 消耗的核燃料少 2
9、作为核燃料的铀 钍等在地球上可采储量所提供的能量大 3 对环境的污染要比火力发电小 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 答案解析 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 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 针对训练2 多选 关于核反应堆 下列说法正确的是 A 铀棒是核燃料 裂变时释放核能 B 镉棒的作用是控制反应堆的功率 C 石墨的作用是吸收中子 D 冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 答案解析 解析 铀棒是核燃料 裂变时可放出能量 故A正确 镉棒吸收中子的能力很强 作
10、用是调节中子数目以控制反应速度 即控 制反应堆功率 故B正确 慢中子最容易引发核裂变 所以在快中子碰到铀棒前要进行减速 石墨 的作用是使中子减速 故C错误 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 同时也使反应堆冷却 控制温度 故D正确 三 重核裂变释放核能的计算 答案 答案 亏损质量是反应前的总质量减去反应后的总质量 m 235 043 9 1 008 7 89 907 7 135 907 2 10 1 008 7 u 0 150 7 u 释放的总能量为 E mc2 931 5 0 150 7 MeV 140 377 05 MeV 知识深化 1 铀核裂变
11、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200 MeV估算 1 kg铀235全部裂变放出的 能量相当于2 800 t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 1 u的质量亏损 放出能量931 5 MeV 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 例3 关于重核的裂变 下列说法正确的是 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的能量 产生明显的质量亏损 所以核子数减少
12、D 重核裂变为中等质量的核时 要发生质量亏损 放出核能 答案解析 解析 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损 是核能转化为其 他形式能的过程 其能量远大于俘获中子时吸收的能量 A错误 D正确 发生链式反应是有条件的 铀块的体积必须大于或等于临界体积 否则 中子从铀块中穿过时 可能碰不到原子核 则不会发生链式反应 B错误 重核裂变时 核子数守恒 C错误 例4 用中子轰击铀核 U 其中的一个可能反应是分裂成钡 Ba 和氪 Kr 两部分 放出3个中子 各个核和中子的质量如下 mU 390 313 9 10 27 kg mn 1 674 9 10 27 kg mBa 234 001 6 10 27
13、 kg mKr 152 604 7 10 27 kg 试写出核反应方程 求出反应中释放的核能 答案解析 解析 根据反应前后质量数守恒 电荷数守恒 就可以写出核反应方程 根据核反应前后的质量亏损 用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能 则核反应前后的质量亏损为 m mU mn mBa mKr 3mn 3 578 10 28 kg 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 E mc2 3 578 10 28 3 108 2 J 3 220 2 10 11 J 达标检测 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对 铀块体积对链式反应的发生有影响 B错 铀核的链式反应可人工控制 C对 铀核的
14、半衰期不会受到环境温度的影响 D错 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 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 123 答案 4 解析 2 核污染 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
15、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 答案 123 4 解析 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 泄漏的放射性 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 C错误 1234 答案解析 3 对裂变方程的理解 在众多的裂变反应中 有一种反应方程为 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 1234 1234 答案解析 235 043 9 1 008 7 138 917 8 93 915 4 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 以原子质量单位u为单 位 已知1 u的质量对应的能量为931 5 MeV 此裂变反应释放出的能量 约是 MeV 180 1234 解析 此裂变反应的质量亏损为 235 043 9 1 008 7 u 138 917 8 93 915 4 3 1 008 7 u 0 193 3 u 由于1 u的质量对应的能量为931 5 MeV E 931 5 0 193 3 MeV 180 MeV
