4-6&4-7 核能利用&小粒子与大宇宙-【创新设计】2019版同步课堂讲义物理（粤教版选修3-5）

第六节　核能利用 第七节　小粒子与大宇宙 [目标定位]　1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度． 一、反应堆 1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒； (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度． 2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高． 3．能量输出：利用水或液态的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．[来源:学§科§网Z§X§X§K] 4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理． 二、核电站、核能利用 1．核电站 利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站． 2．核能利用 (1)核力发电； (2)核动力； (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素． 三、小粒子与大宇宙 1．从小粒子到大宇宙——空间跨度 (1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界． (2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级． 2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：1018_s. (2)微观粒子的最短寿命：10－25_s. (3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级． 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 一、核反应堆 裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表： 组成部分 材料 作用 裂变材料 (核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料 慢化剂 (减速剂) 石墨、重水 和普通水 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度 反射层 石墨 阻止中子逃逸 热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电 防护层 金属套和 钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害 【例1】　在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？[来源:学科网ZXXK]H核碰撞减速，在石墨中与 答案　见解析 解析　设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律得：mnv0＝mnv1＋mv2 由能量守恒得：mv＋mnv＝mnv 解得v1＝v0， 在重水中靶核质量mH＝2mn v1H＝v0， v0＝－ 在石墨中靶核质量mC＝12mn， v1C＝v0v0＝－ 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好． 借题发挥　(1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒． (2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零． 针对训练1　在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(　　) 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，以改变中子数 D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 答案　C 解析　控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目． 二、核电站的工作原理 核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应． 铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．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，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3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，这就叫链式反应． 原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大． 在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图： 图1 铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含