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1、15 52 2 裂变及其应用裂变及其应用学习目标 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.会判断和书写核裂变方程，能计算核反应释放的能量.3.了解核电站的安全性能及核废料的处理一、核裂变和链式反应导学探究 如图 1 为铀核裂变示意图图 11铀核裂变是如何发生的？答案 铀核的裂变(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铀核裂变在
2、自然界中能自发进行吗？答案 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多2的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应知识梳理 对核裂变和链式反应的理解1核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程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U23592nBaKr3 n.1 01445689361 03链式反应：铀核裂变时，通常会放出 2 到 3 个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其他的
3、铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应4发生链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量即学即用 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，同时放出三个中子( )二、核电站知识梳理 核反应堆的结构及核电站的认识1核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，主要由以下几部分组成：(1)裂变材料：铀棒；(2)慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水(
4、也叫轻水)作慢化剂；(3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度；(4)反射层：一般用石墨做材料，阻止中子逃逸；(5)热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去；(6)防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及 12 m 厚的钢筋混凝土构成2裂变反应堆的常见类型(1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆(2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆(3)快中子增殖反应堆：以铀235 作为主要裂变材料的反应堆其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料增殖3核电站的工作模式以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电4核安全性与核废料处理3(1)
5、核电站的安全性能：为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了 4 道安全屏障第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块第二道屏障：锆合金包壳第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界第四道屏障：安全壳(2)核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料即学即用 判断下列说法的正误(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度( )(2)核反应堆用过的核废料无毒无害( )一、重核裂变与其释放核能的计算1常见的裂变方程(1)U nXeSr2 n235921 01395495381 0(2)U nBaKr3 n235921 014456893
6、61 02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 200 MeV 估算，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧释放的化学能，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 更容易发生链式反应例 1 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
7、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 D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4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 错误重核裂变的实质：(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多中子的过程(2)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
8、原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均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例 2 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，23592141569236放出 3 个中子各个核和中子的质量如下：mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案 nUBaKr3 n 3.220 21011 J1 0235921415692361 0解析 根据反应前后质
9、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铀核裂变方程为 nUBaKr3 n，1 0235921415692361 0则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn3.5781028 kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 Emc23.5781028(3108)2 J3.220 21011 J.二、核电站1核电站的主要部件及作用如下表：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)镉或硼钢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
10、热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.核电站发电的优点5(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，所能提供的能量大(3)对环境的污染要比火力发电小例 3 (多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应是U nBaKr3 n，下列说法正确的有( )235921 01445689361 0A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答案 AC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；铀核的半
11、衰期不会受到环境温度的影响，D 错1(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 ABD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2一个U 原子核在中子的轰
12、击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为U nX23592235921 0Sr2 n，则下列叙述正确的是( )94381 0AX 原子核中含有 86 个中子BX 原子核中含有 141 个核子C因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A6解析 X 原子核中的核子数为(2351)(942)140 个，B 错误；中子数为 140(9238)86 个，A 正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D 错误3一个铀 235 吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U nXeSr10 n，235921 01
13、365490381 0放出的能量为E，铀 235 核的质量为M，中子的质量为m，氙 136 核的质量为m1，锶 90 核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于( )A(Mm1m2)c2B(Mmm1m2)c2C(Mm1m29m)c2D(m1m29mM)c2答案 C解析 铀 235 裂变时的质量亏损 mMmm1m210mMm1m29m，由质能方程可得Emc2(M9mm1m2)c2.一、选择题(16 题为单选题，7 题为多选题)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 粒子 D 粒子答案 B解析 在重核的裂变中，铀 235 需要吸收一个慢中子后才可
14、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发生的中子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 C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临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，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，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积时则
15、发生链式反应，由此知 A、B、D 错误，C 正确3在众多的裂变反应中，有一种反应方程为U nBaKraX，其中 X 为某种235921 0141569236粒子，a为 X 的个数，则( )7AX 为中子，a2 BX 为中子，a3CX 为质子，a2 DX 为质子，a3答案 B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，1 0a3，选项 B 正确41938 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 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 nBaKr n235921 01445689361 0B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这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D 实验中产生的 射线穿透能力极强答案 D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 nBaKr3 n，选项 A 不正确；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，235921 01445689361 0发生质量亏损，释放的能量可根据爱因斯坦的质能方程计算，选项 B、C 不正确；核反
