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5.核裂變 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．(重點(diǎn)) 2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點(diǎn)) 3.會(huì)計(jì)算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點(diǎn)) 4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．(難點(diǎn)) 核 裂 變 與 鏈 式 反 應(yīng) 1．核裂變 重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程． 2．鈾核裂變 用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． 4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 1．鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象．() 2．鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進(jìn)行下去．(√) 3．鈾核裂變時(shí)能釋放出多個(gè)中子．(√) 1．鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象嗎？ 【提示】　不是．鈾核在受到中子轟擊后才發(fā)生裂變，不是天然放射現(xiàn)象，屬于核反應(yīng)． 2．鈾核裂變的核反應(yīng)方程是唯一的嗎？ 【提示】　不是．鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應(yīng)方程不是唯一的． 1．鈾核的裂變和裂變方程 (1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀． (2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能． (3)常見的裂變方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 (1)有慢中子轟擊． (2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 以上兩個(gè)條件滿足一個(gè)，則另一個(gè)條件自動(dòng)滿足． 3．裂變反應(yīng)的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬度的高溫． 4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同． (1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大． (2)鈾238：只有俘獲能量大于1 MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率?。芰康陀? MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變．因此，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235. 1．關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．鈾核裂變?cè)谧匀唤缰袝?huì)自發(fā)地產(chǎn)生 C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 E．美國扔在廣島的第一顆原子彈“小男孩”是用鈾235制成的，之所以不用鈾238，是因其不易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 【解析】　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，因此A正確，B、C錯(cuò)誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確．鈾235比鈾238易于發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可以短時(shí)間內(nèi)放出巨大的核能，因此用鈾235制作原子彈而不用鈾238，故E正確． 【答案】　ADE 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時(shí)放出的可使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是________. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010048】 【解析】　重核的裂變需要中子的轟擊，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，不斷放出高速的中子使裂變可以不斷進(jìn)行下去． 【答案】　中子 3．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν (1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)； (2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.049 3 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.909 8 u，鋯核質(zhì)量為89.904 7 u．又知1 u＝1.660 610－27 kg，試計(jì)算，1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？ 【解析】　(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得 Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40 質(zhì)量數(shù)A＝236－143－31＝90. (2)方法一：質(zhì)量虧損 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u. 一個(gè)鈾核裂變釋放能量 ΔE＝Δm931.5 MeV ＝0.217 4931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg鈾核含有的原子核數(shù)為 n＝6.021023個(gè)≈2.5621024個(gè) 1 kg鈾核產(chǎn)生的能量 E總＝nΔE＝2.562202.51024 MeV ≈5.21026MeV＝5.210261061.610－19 J ≈8.31013 J. 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 41.660 610－27 kg ≈3.610－28 kg ΔE＝Δmc2＝3.610－28(3108)2 J＝3.2410－11 J n＝6.021023個(gè)≈2.5621024個(gè) E總＝nΔE＝2.56210243.2410－11 J≈8.31013 J. 【答案】　(1)40　90　(2)8.31013 J 重核裂變核能計(jì)算的方法 解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個(gè)重核裂變時(shí)發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計(jì)算出釋放的能量，然后用阿伏伽德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來；另外，在計(jì)算過程中要注意單位的統(tǒng)一． 核 電 站 1．核能釋放的控制 通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆． 2．減速劑 反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“減速劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水． 3．控制棒 為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)過于激烈時(shí)，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫做控制棒． 4．能量輸出 核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電． 5．核污染及防護(hù) 核廢料具有強(qiáng)烈的放射性，并且持續(xù)時(shí)間非常長．為保證核電站的安全，新建的核電站設(shè)有核燃料芯塊的密封包殼、回路系統(tǒng)的密封設(shè)施及核電站的安全殼． 1．核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．(√) 2．減速劑的作用使快中子減速變成慢中子．(√) 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦形成無法進(jìn)行人工控制．() 1．核反應(yīng)堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？ 【提示】　控制棒由鎘棒制成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度． 2．減速劑的作用是什么？是為了減慢裂變速度嗎？ 【提示】　減速劑的作用是使快中子減速，以便于中子與鈾核作用發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率． 1．核電站的主要組成 核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆 ，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下： 部件名稱 減速劑 控制棒 熱循環(huán)介質(zhì) 保護(hù)層 采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態(tài)鈉 很厚的水泥外殼 作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應(yīng)速度 把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染 2.反應(yīng)堆工作原理 (1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖351為簡化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為減速劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍． 圖351 (2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度． (3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電． 發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面． 3．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較 原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置． 4．關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 D．石墨的作用是吸收中子 E．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能 【解析】　鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確，C錯(cuò)誤；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故E正確． 【答案】　ABE 5．原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變的一種裝置，它主要由四部分組成，即原子燃料、________、________、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng). 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010049】 【解析】　核反應(yīng)堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②減速劑，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度；④冷卻系統(tǒng)，水或液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電． 【答案】　減速劑　冷卻系統(tǒng) 6．每晝夜消耗220 g鈾235的原子能發(fā)電站，如果效率為25%，它能產(chǎn)生的電功率為多大？(每個(gè)鈾核裂變時(shí)放出的能量是200 MeV) 【解析】　一晝夜消耗的鈾所能產(chǎn)生的核能為： ΔE＝2006.0210231061.610－19 J ＝1.81013 J， 電功率P＝η＝ W ＝5.2107 W. 【答案】　5.2107 W (1)核電站釋放的核能是一個(gè)個(gè)核反應(yīng)釋放核能積累的結(jié)果：E＝nΔE，ΔE＝Δmc2，n＝NA. (2)發(fā)電站用于發(fā)電的能量只占所釋放核能的一部分，則E電＝ηE.