5.4核裂变与核聚变-2022-2023学年高二物理备课必备讲义（人教2019选择性必修第三册 ）

第五章 原子核 第4节 核裂变与核聚变 【核心素养目标】 物理观念 知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件. 科学思维 会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能. 科学探究 了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度． 科学态度与责任 通过核裂变与核聚变知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。 知识点一　核裂变及链式反应 【情境导入】 如图为铀核裂变示意图． (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？ 【知识梳理】 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U＋　　n→Ba＋Kr＋3n. 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，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的 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． 【重难诠释】 1．典型的核裂变方程 (1)U＋n→Xe＋Sr＋2n (2)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．核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 全部发生核裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能． 【典例精析】 例1．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) 知识点二　核电站 【知识梳理】 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成： (1)核燃料： ． (2)慢化剂： 、 和普通水(也叫轻水)． (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 ，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作 ． 2．工作原理 核燃料发生 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， ． 【重难诠释】 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、重水或普通水(也叫轻水) 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 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 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． 【典例精析】 例2．如图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(　　) 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 知识点三　核聚变 【情境导入】 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？ 【知识梳理】 1．定义：两个轻核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：H＋H→He＋n