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6核裂變 一 核裂變1 核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質(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 鈾核發(fā)生裂變 其產(chǎn)物是多種多樣的 其中一 3 鏈式反應當一個中子引起一個重核裂變后 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 這種反應叫核裂變的鏈式反應 4 鏈式反應的條件發(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 二 核電站1 核能釋放的控制通過可控制的鏈式反應實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應堆 2 慢化劑反應堆中 為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速 在鈾棒周圍要放 慢化劑 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速度 還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒 它吸收中子的能力很強 反應過于激烈時 可將其插入深一些 多吸收一些中子 鏈式反應的速度就會慢一些 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區(qū)溫度升高 水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動 把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去 用于發(fā)電 5 核能發(fā)電的效益 1 一座百萬千瓦級的核電站 每年只消耗30噸左右的濃縮鈾 而同樣功率的火電站 每年要燒煤250萬噸 2 核電技術已經(jīng)成熟 在經(jīng)濟效益方面也跟火力發(fā)電不相上下 3 作為核燃料的鈾 釷等在地球上的可采儲量所能提供的能量 比煤 石油等所提供的能量大15倍左右 核電對環(huán)境的污染比火電小 6 核污染的處理為阻止射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源 空氣和工作場所造成放射性污染 在反應堆外面需要修建很厚的水泥層 用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線 核廢料具有很強的放射性 需要裝入特制容器 深埋地下 自我檢測1 思考辨析 1 為了使鈾235裂變的鏈式反應容易發(fā)生 最好直接利用裂變時產(chǎn)生的快中子去轟擊鈾核 解析 鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的概率大 快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小 因此不能直接使用快中子 答案 2 鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 但只能裂變成兩種不同的核 解析 鈾核受到中子的轟擊 會引起裂變 裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 具有極大的偶然性 但裂變成兩塊的情況多 也有的分裂成多塊 答案 3 鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈式反應才能不停地進行下去 解析 鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素 原子核的體積非常小 原子內(nèi)部的空隙很大 如果鈾塊不夠大 中子在鈾塊中通過時就有可能碰不到鈾核跑到外面去 鏈式反應不能繼續(xù) 通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積 相應的質(zhì)量叫臨界質(zhì)量 答案 4 鈾核裂變時能釋放出多個中子 答案 5 控制棒是通過吸收中子多少來控制鏈式反應速度的 解析 在鈾塊中插入一些鎘棒 鎘吸收中子的能力很強 當反應過于激烈時 將鎘棒插入的深一些 讓它多吸收一些中子 鏈式反應的速度就會減慢一些 答案 2 探究討論 1 鈾核裂變是如何發(fā)生的 鈾核裂變在自然界中能自發(fā)進行嗎 答案 a 核子受激發(fā) 當中子進入鈾235后 便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核 復核中由于核子的激烈運動 使核變成不規(guī)則的形狀 b 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 同時放出中子 這些中子又引起其他鈾核裂變 這樣 裂變反應一代接一代繼續(xù)下去 形成鏈式反應 重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應中 在自然界中不會自發(fā)地發(fā)生 鈾核裂變不會自發(fā)地進行 要使鈾核裂變 首先要利用中子轟擊鈾核 使鈾核分裂 分裂產(chǎn)生更多的中子 這些中子繼續(xù)與其他鈾核發(fā)生反應 再引起新的裂變 這樣就形成了鏈式反應 2 對于核電站的核污染應該如何處理 答案 為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源 空氣和工作場所造成的放射性污染 在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層 用來屏蔽裂變反應放出的各種射線 核廢料具有很強的放射性 需要裝入特制的容器 深埋地下 探究一 探究二 核裂變問題探究1 秦山核電站是我國自行設計 建造和運營管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站 地處浙江省海鹽縣 秦山核電站工程建設自1985年3月20日開工 1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電 1994年2月投入商業(yè)運營 1995年7月順利通過國家驗收 經(jīng)過14年的安全穩(wěn)定運行 秦山地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)因核電站運行引起的放射性污染 周圍地區(qū)民眾對秦山核電廠運行給予了良好的評價 秦山核電站的建成發(fā)電 結束了中國大陸無核電的歷史 實現(xiàn)了零的突破 使我國成為繼美 英 法 俄 加拿大 瑞典之后世界上第七個能夠自行設計 建造核電站的國家 核能跟常規(guī)能源相比 具有哪些優(yōu)勢 要點提示 核原料提供的能量巨大 核原料的儲量豐富 核原料的運輸和儲存方便 核電站具有清潔衛(wèi)生 對環(huán)境的污染小 成本低 可采儲量大的優(yōu)點 探究一 探究二 2 上圖為核裂變示意圖 1 重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎 2 只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應嗎 要點提示 重核的裂變不能自發(fā)地進行 只能發(fā)生在人工控制的核反應中 只有達到鏈式反應的條件時 才會發(fā)生重核的裂變 探究一 探究二 知識歸納1 鈾核的裂變和裂變方程 1 核子受激發(fā) 當中子進入鈾235后 便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核 復核中由于核子的激烈運動 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 同時放出2或3個中子 這些中子又引起其他鈾核裂變 這樣 裂變就會不斷地進行下去 釋放出越來越多的核能 3 常見的裂變方程 探究一 探究二 2 鏈式反應的條件 1 鈾塊的體積大于臨界體積 2 鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量 以上兩個條件滿足一個即可 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 探究一 探究二 典例剖析 例題1 關于重核的裂變 以下說法正確的是 A 核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B 中子從鈾塊中通過時 一定發(fā)生鏈式反應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 要發(fā)生質(zhì)量虧損 放出核能 思考問題 鏈式反應的條件是什么 提示 1 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 2 有足夠數(shù)量的慢中子 探究一 探究二 解析 根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知 裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應 是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程 其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量 鏈式反應是有條件的 即鈾塊的體積必須大于其臨界體積 如果體積小 中子從鈾塊中穿過時 碰不到原子核 則鏈式反應就不會發(fā)生 在裂變反應中核子數(shù)是不會減少的 質(zhì)量虧損是遠小于一個核子的質(zhì)量的 因此選項A B C均錯 重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時 由于核子平均質(zhì)量小 會發(fā)生質(zhì)量虧損 從而釋放出核能 選項D正確 答案 D規(guī)律總結準確理解裂變的特點 1 重核受中子轟擊后生成中等質(zhì)量的核 2 裂變中一般產(chǎn)生2 3個中子 3 裂變時產(chǎn)生質(zhì)量虧損放出能量 探究一 探究二 變式訓練1 多選 當一個重核裂變時 它所產(chǎn)生的兩個核 A 含有的質(zhì)子數(shù)比裂變前重核的質(zhì)子數(shù)少B 含有的中子數(shù)比裂變前重核的中子數(shù)少C 裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量D 可能是多種形式的兩個核的組合解析 由于在裂變反應中吸收一個中子而釋放出幾個中子 質(zhì)子數(shù)沒有發(fā)生變化 而兩個新核的中子數(shù)減少 A錯誤 B正確 反應前后質(zhì)量發(fā)生了虧損而釋放出能量 并不等于俘獲中子的能量 在裂變反應中 產(chǎn)物并不是唯一的 故C錯誤 D正確 答案 BD 探究一 探究二 核電站問題探究1 16世紀初 麥哲倫完成了環(huán)球旅行 但損失慘重 5艘船艦只剩下一艘 265人只有18人生還 四個世紀后 美國的 美人魚 號步麥哲倫后塵 也環(huán)繞地球一周 不過這次航行全部在水下進行 為什么核潛艇有如此強大的航海本領 要點提示 核潛艇是利用核反應堆作為動力裝置 核反應堆和蒸汽發(fā)生器裝在艦體的堆倉內(nèi) 核反應堆靠裂變釋放大量的能量 使冷卻水達到較高的溫度 在蒸汽發(fā)生器里產(chǎn)生蒸汽 驅(qū)動裝在機艙內(nèi)的蒸汽輪機推動核潛艇前進 由于反應堆運行不需要來自水面上的空氣 所以核潛艇能夠長時間在水下航行 探究一 探究二 2 下圖為核電站工作流程示意圖 1 核電站的核心設施是什么 2 核電站是如何實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的 探究一 探究二 要點提示 1 核電站的核心設施是核反應堆 2 通過熱交換器將核反應中產(chǎn)生的熱量輸送出來 推動汽輪機工作 探究一 探究二 知識歸納1 核電站的主要組成核電站的核心設施是核反應堆 反應堆用的核燃料是鈾235 它的主要部件列表如下 探究一 探究二 2 反應堆工作原理 1 在核電站中 核反應堆是熱源 右圖為簡化的核反應堆示意圖 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 為慢化劑 使反應生成的快中子變?yōu)槁凶?便于鈾235的吸收 發(fā)生裂變 慢化劑附在鈾棒周圍 探究一 探究二 2 鎘棒的作用是吸收中子 控制反應速度 所以也叫控制棒 控制棒插入深一些 吸收中子多 反應速度變慢 插入淺一些 吸收中子少 反應速度加快 采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒的升降 就能使反應堆安全正常地工作 3 核反應釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 這時通過水 液態(tài)鈉等作冷卻劑 在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動 把內(nèi)能傳輸出去 用于推動蒸汽機 使發(fā)電機發(fā)電 發(fā)生裂變反應時 會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì) 很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面 探究一 探究二 3 核電站發(fā)電的優(yōu)點 1 消耗的核燃料少 2 作為核燃料的鈾 釷等在地球上可采儲量大 所能提供的能量大 3 對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小 探究一 探究二 典例剖析 例題2 多選 如圖是慢中子反應堆的示意圖 對核反應堆的下列說法正確的是 A 鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應B 快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少 變成慢中子 慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應C 控制棒由鎘做成 當反應過于激烈時 使控制棒插入深一些 讓它多吸收一些中子 鏈式反應的速度就會慢一些D 若要使裂變反應更激烈一些 應使控制棒插入深一些 使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子 鏈式反應的速度就會快一些 探究一 探究二 思考問題 如何控制核反應堆鏈式反應的快慢 提示 鎘控制棒可以吸收中子 因而可以控制核反應的快慢 解析 根據(jù)鈾235的特點 它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變 A錯誤 在反應堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從而更易讓鈾235吸收裂變 B正確 鏈式反應的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù) 鎘控制棒可以吸收中子 因而可以控制核反應的快慢 即插入得深 吸收得多 反應將變慢 反之將加快 C正確 D錯誤 答案 BC 探究一 探究二 變式訓練2 多選 某原子核反應堆由鈾棒 鎘棒 減速劑 冷卻劑和水泥防護層等組成 關于它們的作用 下列說法中正確的是 A 鈾棒是核反應堆的燃料B 鎘棒是吸收中子的材料C 減速劑 如石墨 重水等 起減慢核反應的作用D 冷卻劑把反應堆的熱量傳遞出去 同時使反應堆冷卻解析 由反應堆的結構和原理可知 鈾棒是反應堆的燃料 鎘棒是吸收中子的材料 故A B正確 減速劑能使快中子減速 而并不能減慢核反應的速度 故C錯誤 冷卻劑的作用是將反應中的熱量傳遞出去 同時使反應堆冷卻 故D正確 答案 ABD 1 2 3 1 多選 關于鈾核裂變 下列說法正確的是 A 鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 但只能裂變成兩種不同的核B 鈾核裂變時還能同時釋放數(shù)目不等的中子C 為了使裂變的鏈式反應容易進行 最好用純鈾235D 鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應無影響解析 鈾核受到中子的沖擊 會引起裂變 裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 具有極大的偶然性 但裂變成兩塊的情況比較多 也有的分裂成多塊 并放出數(shù)目不等的中子 鈾235受中子的轟擊時 裂變的概率大 而鈾238只有俘獲能量在1MeV以上的中子時才能引起裂變 且裂變的幾率小 而要引起鏈式反應 需使鈾塊體積超過臨界體積 故B C正確 答案 BC 1 2 3 A M m1 m2 c2B M m m1 m2 c2C M m1 m2 9m c2D m1 m2 9m M c2解析 鈾235裂變時的質(zhì)量虧損 m M m m1 m2 10m M m1 m2 9m 由質(zhì)能方程可得E mc2 M 9m m1 m2 c2 答案 C 1 2 3 mU 390 3139 10 27kg mn 1 6749 10 27kg mBa 234 0016 10 27kg mKr 152 6047 10 27kg 試寫出核反應方程 求出反應中釋放的核能 解析 根據(jù)反應前后質(zhì)量數(shù)守恒 電荷數(shù)守恒就可以寫出核反應方程 根據(jù)核反應前后的質(zhì)量虧損 用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能 則核反應前后的質(zhì)量虧損為 m mU mn mBa mKr 3mn 0 3578 10 27kg E mc2 0 3578 10 27 3 108 2J 3 2202 10 11J 1 2 3