高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变学案，共5页。

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、核裂变的发现
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1．核裂变：铀核在被__________轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
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eq \\ar(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n eq \\ar(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋________。
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应________________继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生________反应的________体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5．核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以________能量。
如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV 估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于________________标准煤完全燃烧时释放的化学能。
1．如图所示为核裂变示意图。
(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？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2．总结维持链式反应的条件。
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
例1 (2022·厦门市大同中学高二期中)2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为eq \\ar(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→X＋eq \\al(95,38)Sr＋2eq \\al(1,0)n，则下列叙述正确的是( )
A．裂变后粒子的总核子数减少
B．X原子核中含有85个中子
C．裂变反应前后质量没有变化
D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小
1．重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，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，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变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。
例2 (2022·唐山市高二月考)eq \\ar(235, 92)U受中子轰击时会发生裂变，产生eq \\ar(144, 56)Ba和eq \\al(89,36)Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。
(1)写出核反应方程；
(2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 ml－1)
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是________，它的主要组成部分：
2.工作原理
(1)核燃料发生________释放能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外________________，把反应堆内的________传输出去，用于________，同时也使反应堆冷却。
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的________________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的________________，需要装入特制的容器，________________。
4．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染比火力发电小。
例3 (2022·菏泽市高二期末)如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是( )
A．正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B．中子速度越快越容易发生链式反应
C．通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D．铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
三、核聚变
1．定义：两个________结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．核反应方程(举例)：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV。
3．条件：使轻核的距离达到________ m以内。
方法：需要加热到很高的________，因此核聚变又叫热核反应。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核________成氦核释放的________能。
5．人工热核反应的应用——氢弹
原理：首先由化学炸药引爆__________，再由__________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能______________；②地球上核聚变燃料氘储量________，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)缺点：核聚变需要的温度太________，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是________________。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的________或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
例4 (2022·莆田市高二期末)2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是( )
A．任何两个原子核都可以发生聚变
B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小
D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
例5 两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。
(1)写出相应的核反应方程；
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 ml－1，氘核的摩尔质量为2 g/ml,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)。
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________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)
____、____或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
____
吸收中子，控制反应速度
热交换器
____或液态的____
传输热量
防护层
厚____层
防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害