1、6 核裂变,一、核裂变 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,其中一,3.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临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。,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核反应堆。 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”,常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。 3.控制棒 为了
2、控制反应速度,还需要在铀棒之间插进一些镉棒,它吸收中子的能力很强,反应过于激烈时,可将其插入深一些,多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,这种镉棒叫做控制棒。 4.能量输出 核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高,水或液态的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。,5.核能发电的效益 (1)一座百万千瓦级的核电站,每年只消耗30吨左右的浓缩铀,而同样功率的火电站,每年要烧煤250万吨。 (2)核电技术已经成熟,在经济效益方面也跟火力发电不相上下。 (3)作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提供的能量,比煤、石油等所提供的能量大15倍左右,核电对环境的污染比
3、火电小。 6.核污染的处理 为阻止射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染,在反应堆外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线,核废料具有很强的放射性,需要装入特制容器,深埋地下。,自我检测 1.思考辨析。 (1)为了使铀235裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核。 ( ) 解析:铀235俘获慢中子发生裂变的概率大,快中子使铀235发生裂变的几率小,因此不能直接使用快中子。 答案: (2)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。 ( ) 解析:铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性
4、,但裂变成两块的情况多,也有的分裂成多块。 答案:,(3)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。 ( ) 解析:铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小,原子内部的空隙很大,如果铀块不够大,中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核跑到外面去,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它的临界体积,相应的质量叫临界质量。 答案: (4)铀核裂变时能释放出多个中子。 ( ),答案:,(5)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。 ( ) 解析:在铀块中插入一些镉棒,镉吸收中子的能力很强,当反应过于激烈时,将镉棒插入的深一些,让它多吸收一些中子,
5、链式反应的速度就会减慢一些。 答案:,2.探究讨论。 (1)铀核裂变是如何发生的?铀核裂变在自然界中能自发进行吗? 答案:a.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。 b.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。 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。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,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其
6、他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应。,(2)对于核电站的核污染应该如何处理? 答案:为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、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水泥层,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下。,探究一,探究二,核裂变 问题探究 1.秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站,地处浙江省海盐县。秦山核电站工程建设自1985年3月20日开工,1991年12月15日并网发电,1994年2月投入商业运营,1995年7月顺利通过国家验收。经过14年的安全稳定运行,秦山地区
7、尚未发现因核电站运行引起的放射性污染,周围地区民众对秦山核电厂运行给予了良好的评价,秦山核电站的建成发电,结束了中国大陆无核电的历史,实现了零的突破,使我国成为继美、英、法、俄、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家,核能跟常规能源相比,具有哪些优势? 要点提示:核原料提供的能量巨大,核原料的储量丰富,核原料的运输和储存方便,核电站具有清洁卫生、对环境的污染小、成本低、可采储量大的优点。,探究一,探究二,2.上图为核裂变示意图。(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? 要点提示:重核的裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,
8、只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。,探究一,探究二,知识归纳 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:,探究一,探究二,2.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。铀核裂变为中等质量的原子核,发生
9、质量亏损,所以放出能量。,探究一,探究二,典例剖析 【例题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 【思考问题】 链式反应的条件是什么? 提示:(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量。 (2)有足够数量的慢中子。,探究一,探究二,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,裂变时因铀核俘获中子即发生核反应
10、,是核能转化为其他形式能的过程,其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。在裂变反应中核子数是不会减少的,质量亏损是远小于一个核子的质量的,因此选项A、B、C均错;重核裂变为中等质量的原子核时,由于核子平均质量小,会发生质量亏损,从而释放出核能,选项D正确。 答案:D 规律总结准确理解裂变的特点 (1)重核受中子轰击后生成中等质量的核。 (2)裂变中一般产生23个中子。 (3)裂变时产生质量亏损放出能量。,探究一,探究二,变式训练1(多选)当一个重核裂变时,它所产生的两个核(
11、 ) A.含有的质子数比裂变前重核的质子数少 B.含有的中子数比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 解析:由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子,质子数没有发生变化,而两个新核的中子数减少,A错误,B正确;反应前后质量发生了亏损而释放出能量,并不等于俘获中子的能量,在裂变反应中,产物并不是唯一的,故C错误,D正确。 答案:BD,探究一,探究二,核电站 问题探究 1.16世纪初,麦哲伦完成了环球旅行,但损失惨重,5艘船舰只剩下一艘,265人只有18人生还。四个世纪后,美国的“美人鱼”号步麦哲伦后尘,也环绕地球一周,不过这次航
12、行全部在水下进行,为什么核潜艇有如此强大的航海本领? 要点提示:核潜艇是利用核反应堆作为动力装置,核反应堆和蒸汽发生器装在舰体的堆仓内,核反应堆靠裂变释放大量的能量,使冷却水达到较高的温度,在蒸汽发生器里产生蒸汽,驱动装在机舱内的蒸汽轮机推动核潜艇前进,由于反应堆运行不需要来自水面上的空气,所以核潜艇能够长时间在水下航行。,探究一,探究二,2.下图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?,探究一,探究二,要点提示:(1)核电站的核心设施是核反应堆。 (2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来,推动汽轮机工作。,探究一,探究二,知识
13、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:,探究一,探究二,2.反应堆工作原理 (1)在核电站中,核反应堆是热源,右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。,探究一,探究二,(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
14、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。,探究一,探究二,3.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,所能提供的能量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】(多选)如图是慢中子反应堆的示意图,对核反应堆的下列说法正确的是( )A.铀235容易吸收快中子发生裂变反应 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23
15、5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,使控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些 D.若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,探究一,探究二,【思考问题】 如何控制核反应堆链式反应的快慢? 提示:镉控制棒可以吸收中子,因而可以控制核反应的快慢。 解析:根据铀235的特点,它更容易吸收慢中子而发生裂变,A错误;在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变,B正确;链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数,镉控制棒可以吸收中子,因而可以控制核反应的快慢,即插入
16、得深,吸收得多,反应将变慢,反之将加快,C正确,D错误。 答案:BC,探究一,探究二,变式训练2(多选)某原子核反应堆由铀棒、镉棒、减速剂、冷却剂和水泥防护层等组成,关于它们的作用,下列说法中正确的是( ) A.铀棒是核反应堆的燃料 B.镉棒是吸收中子的材料 C.减速剂(如石墨、重水等)起减慢核反应的作用 D.冷却剂把反应堆的热量传递出去,同时使反应堆冷却 解析:由反应堆的结构和原理可知,铀棒是反应堆的燃料,镉棒是吸收中子的材料,故A、B正确。减速剂能使快中子减速,而并不能减慢核反应的速度,故C错误。冷却剂的作用是将反应中的热量传递出去,同时使反应堆冷却,故D正确。 答案:ABD,1,2,3,
17、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数目不等的中子 C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235 D.铀块的体积对产生链式反应无影响 解析:铀核受到中子的冲击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况比较多,也有的分裂成多块,并放出数目不等的中子,铀235受中子的轰击时,裂变的概率大,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子时才能引起裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,需使铀块体积超过临界体积,故B、C正确。 答案:BC,1,2,3,A.(M-m1-m
18、2)c2 B.(M+m-m1-m2)c2 C.(M-m1-m2-9m)c2 D.(m1+m2+9m-M)c2 解析:铀235裂变时的质量亏损:m=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m,由质能方程可得E=mc2=(M-9m-m1-m2)c2。 答案:C,1,2,3,mU=390.313 910-27 kg,mn=1.674 910-27 kg; mBa=234.001 610-27 kg,mKr=152.604 710-27 kg。 试写出核反应方程,求出反应中释放的核能。 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=0.357 810-27 kg。 E=mc2=0.357 810-27(3108)2 J=3.220 210-11 J。,1,2,3,
