高中物理人教版 (新课标)选修36 核裂变教学设计

6　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，其中一种典型的反应是92U＋n―→56Ba＋Kr＋3n.

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．

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．铀核裂变时能释放出多个中子．(√)

1．铀核的裂变是一种天然放射现象吗？

【提示】　不是．铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核反应．

2．铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？

【提示】　不是．铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的．

原子弹一般应该由两部分组成，一是常规炸药部分，一是核部分，核部分是由分成几块的裂变核材料组成，每一块都在临界体积以下，引爆时，借助常规炸药在极短时间内，将这几块核材料合成一体，使总体积超过临界体积，从而发生链式反应．

探讨1：为什么铀块的体积小于临界体积时不能发生链式反应？

【提示】　如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说每一代裂变产生的中子数不少于上一代的中子数，裂变反应就能维持下去．当铀块的体积过小时，裂变产生的中子有的可能从裂变物质中漏出去，有的可能被杂质吸收，所以链式反应未必能持续下去．

探讨2：裂变反应发生后，裂变反应物的质量增加还是减小？为什么？

【提示】　减小．裂变反应释放大量的能量，所以发生质量亏损，反应后的质量减小．

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：

①U＋n→Xe＋Sr＋2n.

②U＋n→Ba＋Kr＋3n.

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，则另一个条件自动满足．

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标准煤完全燃烧时释放的能量，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更易发生链式反应

在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．

(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．

(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小．能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变．因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.

1．(多选)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，但核子数不变

D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能

【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，铀块的体积必须大于其临界体积，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正确．

【答案】　CD

2．铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：U＋n→Xe＋Sr＋2n，则A＝________，Z＝________.

【解析】　根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A＝94，B＝38.

【答案】　94　38

对重核裂变的两点理解

(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，放出更多的中子的过程．

(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，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小．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．

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.

(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．

1．控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的．(√)

2．核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的．(√)

3．核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．(×)

1．核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？

【提示】　控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度．

2．慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？

【提示】　慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．

核电站的核心设施是核反应堆，所用的核燃料为铀235，为控制核能的释放速度，反应堆中用到了慢化剂和控制棒．

探讨1：原子弹和核电站都利用了重核的裂变，两者有何不同？

【提示】　原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短的时间内释放出来；而核电站是在人工控制下利用核能来发电，这是核能的和平利用．

探讨2：核电站是如何控制反应速度的？

【提示】　利用镉棒插入深浅控制中子的数量而达到控制反应速度的目的．

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：

2.反应堆工作原理

(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图19­6­1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．

19­6­1　反应堆示意图

(2)控制棒：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插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．

(3)冷却剂：核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．

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．

(3)对环境的污染要比火力发电小．

3．(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．铀棒的作用是控制反应堆的功率

D．石墨的作用是吸收中子

【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C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，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D错误．

【答案】　AB

4．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(　　)

【导学号：54472089】

A．使用浓缩铀

B．改变铀块的临界体积

C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度

D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度

【解析】　利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确．

【答案】　C

5．每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)

【解析】　一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：

ΔE＝200××6.02×1023×106×1.6×10－19 J

＝1.8×1013 J

电功率P＝η＝ W＝5.2×107 W.

【答案】　5.2×107 W

1核电站释放的核能是一个个核反应释放核能积累的结果：E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝·NA.

2发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则E电＝ηE.