物理选择性必修 第三册第五节 裂变和聚变导学案

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第五节　裂变和聚变
[学习目标]　1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件.2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．


一、核裂变与链式反应
1．核裂变：比铁原子核重的一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫作核裂变．
2．核聚变：比铁原子核轻的两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放出能量，这种核反应叫作核聚变．
3．链式反应：一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫作链式反应．
4．临界体积：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积．
二、核聚变及受控热核反应
1．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV.
2．条件：使原子核的距离达到10－15 m以内．
方法：加热到很高的温度．
3．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能．
4．人工的热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
三、核能利用
1．目前，人类主要是开发利用核裂变，为了人工控制链式反应的速度，使核能平缓地释放出来，人们制成了核反应堆．
2．核反应堆的组成
(1)燃料：铀棒．
(2)慢化剂：石墨、重水．
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒被称为控制棒．
3．工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水、液态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．
4．核污染的处理
在核反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，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，需要装入特制的容器中，埋入深地层来处理．

1．判断下列说法的正误．
(1)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．(　√　)
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．(　×　)
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(　×　)
(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹．(　×　)
2．铀核裂变反应中的一个核反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋10n.已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，锶90的质量为89.907 7 u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1 u相当于931.5 MeV的能量)
答案　140.4 MeV
解析　释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)×
931.5 MeV≈140.4 MeV.


一、核裂变及链式反应
导学探究
如图1为铀核裂变示意图．

图1
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案　(1)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．
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．
知识深化
1．典型的裂变方程
U＋n→Ba＋Kr＋3n
2．核能的释放
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．
3．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积．
(2)有足够浓度的铀235.
(3)有足够数量的慢中子．
4．裂变反应的能量大小
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标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
命题角度1　对裂变的理解
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
答案　D
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发生核反应，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或等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生；在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D.
命题角度2　裂变产生核能的计算
铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋n→Ba＋Kr＋3n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
答案　(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析　(1)裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝×6.02×1023≈2.56×1024个，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设完全燃烧的煤的质量为m，
有ΔEN＝qm，
所以m＝＝ kg≈2 797.3 t

计算核能的常用方法
1．根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
2．根据1 u相当于931.5 MeV能量来计算．
二、核聚变
导学探究
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万摄氏度以上的高温？
答案　轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．
知识深化
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离
10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万摄氏度的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程
H＋H→He＋n＋17.6 MeV.
4．重核裂变与轻核聚变的区别

重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍

命题角度3　对聚变的理解
(多选)(2019·天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图2)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是(　　)\

图2
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
答案　AD
解析　与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确．
命题角度4　聚变产生核能的计算
(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4H→He＋2e＋2ν，已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u,1 u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为(　　)
A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV
答案　C
解析　核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6
×931 MeV≈26.6 MeV，选项C正确．
三、核能的利用
1．核电站的主要部件及作用
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露

2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
如图3是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是(　　)

图3
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235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，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．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
答案　B
解析　快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，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，C、D错误．



考点一　核裂变及链式反应
1．(2021·山东泰安市模拟)2021年1月30日，华龙一号全球首堆中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行，这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列．目前核能发电都是利用核裂变反应，下列表示重核裂变的是(　　)
A. U＋n→Ba＋Kr＋3n
B.Th→Pa＋e
C.He＋Be→n＋C
D.H＋H→He＋n
答案　A
解析　选项A中反应是重核裂变，选项A正确；选项B中反应是衰变方程，选项B错误；选项D中反应为原子核的人工转变方程，选项C错误；选项D中反应是轻核聚变，选项D错误．
2．(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为U＋n→Ba＋Kr＋3n，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
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；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．
3．(多选)当一个铀核裂变时，它所产生的两个核(　　)
A．含有的总质子数比裂变前铀核的质子数少
B．含有的总中子数比裂变前铀核的中子数少
C．比结合能比裂变前铀核的比结合能小
D．可能是多种形式的两个核的组合
答案　BD
解析　铀核裂变反应中，铀核吸收一个中子而释放出几个中子，与铀核相比，两个新核的总质子数没有发生变化，而总中子数减少，A错误，B正确；裂变发生质量亏损，释放能量，产物的比结合能更大，在铀核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确．
4．2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是(　　)
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C. U＋n→U＋Sr＋dn式中d＝2
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
答案　D
解析　目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确；根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确；根据质量数与电荷数守恒可知，U＋n→U＋Sr＋dn，式中d＝2，故C正确；铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误．
考点二　核聚变
5．(多选)下列关于聚变的说法，正确的是(　　)
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应
D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行
答案　ABC
解析　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m以内，必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．
6．(2021·山东月考)2020年12月4日新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置在成都建成并实现首次放电，“人造太阳”是可控大规模聚变反应的聚变实验堆．下列能表示“人造太阳”的核反应方程的是(　　)
A.H＋H→He＋n
B.H＋H→He＋n
C. U＋n→Ba＋Kr＋3n
D. U→Ba＋Kr＋2n
答案　B
解析　H＋H→He＋n，反应前后质量数不守恒，A错误；H＋H→He＋n，是“人造太阳”的核反应方程，B正确；U＋n→Ba＋Kr＋3n为裂变反应，C错误；U→Ba＋Kr＋2n反应不能发生，D错误．
7．(2021·广东佛山市月考)2020年12月19日，嫦娥五号带回1 731克月球土壤，开启了我国对月球矿物资源探索研究的新纪元．据推测，月球地壳浅层中富含氦－3(He)元素，氦－3是理想的热核反应原料，它与氘(H)聚变产生质子与另一生成物，不会给环境带来危害．下列有关该核反应的说法正确的是(　　)
A．该核反应可在常温下进行
B．另一生成物为He
C．另一生成物为Li
D．与氦－3比较，另一生成物的质量更小
答案　B
解析　热核反应的发生需要极高的温度，常温下不能进行，故A错误；由题意，写出核反应方程式为He＋H→X＋H，根据电荷数和质量数守恒可知另一生成物X为He，故B正确，C错误；与氦－3比较，氦－4的质量更大，故D错误．
8．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是H＋H→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A．3.7 MeV B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
答案　B
解析　根据质能方程，氘核聚变释放的核能ΔE＝Δmc2，质量亏损Δm＝2mH－mHe－mn＝
0.003 5 u，则ΔE≈3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误．
考点三　核能利用
9．(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，故选项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，故选项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，故选项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，故选项D正确．
10．秦山核电站第三期工程的两个6×105 kW发电机组已实现并网发电，发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)
A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的
B. U的一种裂变可能是U＋n→Xe＋Sr＋2n
C. U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短
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　B
解析　反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子来控制，A错；U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身因素决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站对环境的污染比火电站小，D错．

11．(多选)(2020·河南省一模)“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置.2018年11月，有“人造太阳”之称的东方超环实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为
H＋H→He＋X＋17.6 MeV，关于此核聚变，以下说法正确的是(　　)
A．要使轻核发生聚变，就要利用粒子加速器，使轻核获得很大的动能
B．Z＝0，M＝1
C．1 mol氘核和1 mol氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量
D．聚变比裂变更安全、清洁
答案　BD
解析　“人造太阳”是以超导磁场约束，通过波加热，让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变，故A错误．根据质量数和电荷数守恒，可以求出X为中子n，即Z＝0，M＝1，故B正确.1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量，故C错误．轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更安全、清洁，故D正确．
12．(2021·四川月考)科学家发现太阳的核聚变反应区只是中心很小的一部分，由于太阳强大的引力和磁场的束缚，使太阳内部的能量可以向外持续稳定地释放，而不会像氢弹那样瞬间爆炸，如图1，这就是可控核聚变技术的由来．太阳内部核聚变反应的一种可能形式为H＋
H→X＋n，设H、H、X和n的质量分别为m1、m2、m3和m4，光速为c，则下列说法正确的是(　　)

图1
A．X是He
B．该核反应释放的核能为(m3＋m4－m1－m2)c2
C．核反应中比结合能较小的原子核变成了比结合能较大的原子核
D．核反应中核子平均质量较小的原子核变成了核子平均质量较大的原子核
答案　C
解析　根据质量数和电荷数守恒得，X应为He，故A项错误；根据质能方程得，该核反应释放的核能为(m1＋m2－m3－m4)c2，故B项错误；该核反应中生成的新核核子平均质量变小，新核的比结合能变大，故C项正确，D项错误．
13．(2020·太和第一中学高二月考)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：(计算结果保留两位小数)
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg.
(1)试写出核反应方程；
(2)求出反应中释放的核能；
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？
答案　(1) U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)3.22×10－11 J　(3)2.48×103 kg
解析　(1)核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)一个铀核发生反应的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn
＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝3.578×10－28 kg.
一个铀核裂变释放能量为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J
(3)秦山核电站一年需要消耗裂变原料
m＝×390.313 9×10－27 kg≈2.48×103 kg.