5.5 核能的利用与环境保护-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第5节　核能的利用与环境保护 [学习目标]　1.知道什么是核反应堆，了解核电站及核能发电的优缺点(重点)。2.知道原子弹和氢弹的反应原理。3.知道核能的利用与防护。 一、核电站 1．核电站就是将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。 2．核反应堆： 核反应堆能实现核能的稳定输出，使其转化为其他形式的能量，从而使核能具有广泛用途。 核反应堆的工作原理(以压水式反应堆核电站为例) (1)组成 压水式反应堆核电站包括反应堆本体、一回路系统、二回路系统、汽轮发电机组以及为支持系统正常运行并保证反应堆安全而设置的辅助系统。 (2)用途 ①一回路系统是蒸汽供应系统，包括蒸汽发生器、稳压器、主冷却剂泵等，反应堆释放的内能由冷却剂带到蒸汽发生器中，产生蒸汽； ②二回路系统是蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的系统，与常规火电厂汽轮发电系统基本相同。 *3.核反应堆本体的构成及作用 核反应堆是一种人为可控的核裂变链式反应装置。核反应堆按引起裂变的中子能量可分为热中子反应堆和快中子反应堆(增殖反应堆)。它的主要组成部分及作用如下： 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(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 冷却剂 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 4.应用前景 (1)目前核电站的反应堆以U为燃料，发电成本低于(填“等于”或“低于”)煤电，但U只占天然铀的0.72%,99.28%的U没被充分利用，造成资源的浪费和核废料处理上的困难。 (2)增殖反应堆可使资源得到充分利用 增殖反应堆以U为原料，运行时消耗裂变燃料(U或Pu等)，同时U吸收中子后变成Pu等，即在消耗燃料过程中又能产生新的核燃料(把不可裂变的U转化为可裂变的Pu等)，实现可裂变燃料的增殖。 (1)核电站是利用轻核聚变释放的核能来发电的。(　×　) (2)中子的速度越大，越利于发生链式反应。(　×　) (3)核反应堆中可用控制棒(镉棒)吸收中子，控制反应速度。(　√　) 二、原子弹与氢弹 1．原子弹 (1)原子弹是一种没有减速剂，不加(填“加以”或“不加”)控制的爆炸性链式反应装置。 (2)原子弹的链式反应的形成方法： ①“枪式”装置法： 将浓度为90%以上的U分成两块半球形，每块都达不到临界体积。利用普通炸药引爆，使两块U挤合到一起，使其达到临界体积，同时中子源释放中子引起链式反应，从而引发剧烈爆炸。 ②“内爆法”： 将炸药放在没有达到临界体积的U(或Pu)块周围，当炸药爆炸时，很快向中心压缩，使U(或Pu)块密度大增，发生链式反应。 2．氢弹： (1)氢弹是一种不需要(填“需要”或“不需要”)人工控制而实现核聚变的反应装置。 (2)氢弹的爆炸机理： ①它利用氘(H)和氚(H)迅速地聚变成氦(He)，产生比原子弹更为强烈的爆炸。 ②构造： 在弹体内装有热核材料H和H、铀块或钚块以及普通炸药。 ③当普通炸药爆炸时，铀块或钚块迅速合为一体，使弹体体积超过临界体积而发生爆炸。爆炸的高温高压使H和H等轻核发生聚变反应，产生很高的能量直至再次发生更大规模的爆炸。 三、核能的优势与危害 1．核能的优势 (1)核能发电可缓解能源危机 一座百万千瓦级压水式反应堆核电站，每年仅消耗1吨U，同等规模的燃煤发电厂每年消耗原煤2.5×106吨。 (2)核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。 2．核能利用的危害： (1)核燃料使用后会产生具有高放射性的核废料。 (2)核泄漏会产生严重后果 在反应堆的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。核废料需要装入特制的容器，深埋地下。 (3)核武器的威胁 核武器的威力巨大，不仅能摧毁地球上的生命，还会使生态环境受到严重的破坏。 例1　(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是(　　) A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能 B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高 C．核燃料的危害主要是其具有放射性 D．太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能 答案　ABC 解析　核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确；“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确；放射性对人体和环境都有危害，C正确；太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D错误。 例2　(多选)我国在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是(　　) A.N＋He→O＋H B.U＋n→Sr＋Xe＋10n C.U→Th＋He D.H＋H→He＋n 答案　BD 解析　“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程属于铀核裂变，B选项正确；氢弹的核反应方程属于轻核聚变，D选项正确。 例3　(多选)(2023·浙江杭州市高二检测)目前核电站都是利用铀核裂变释放大量核能进行发电，其发生的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋xn，一座发电功率为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝50%，每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，则下列说法正确的是(　　) A．x＝3 B．每年核电站消耗U的能量约为6.3×1016 J C．每年消耗U的数目约为2.27×1024个 D．每年消耗U的质量约为885 kg 答案　ABD 解析　根据核反应方程遵循质量数和电荷数守恒知，x＝3，A正确；因核电站发电效率为50%，则核电站消耗U的功率为P′＝＝2.00×106 kW，核电站每年消耗U的能量为E＝W＝P′t＝2.00×109×365×24×3 600 J≈6.3×1016 J，B正确； 产生这些能量消耗的铀核的数目为n＝＝≈2.27×1027，C错误； 每年消耗U的质量为M＝nmU＝2.27×1027×390×10－27 kg≈885 kg，D正确。 例4　U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200 MeV的能量，现要建设发电功率是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？(阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1，e＝1.6×10－19C) 答案　0.527 kg 解析　每天发电能的总量 E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J， 要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目 n＝个＝1.35×1024个， 则对应的质量 m＝·MU＝×235×10－3 kg＝0.527 kg。 课时对点练 1．(多选)(2022·浙江长兴中学期中)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放。核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子能量减少变为慢中子。下列说法正确的是(　　) A．慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获 B．裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能 C．链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 D．一个U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg 答案　BCD 解析　中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂变反应不能进行下去，A错误；重核裂变会有质量亏损，会释放核能，平均结合能大的原子核更稳定，故新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能，B正确；链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个U裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm＝≈3.6×10－28 kg，D正确。 2．(2022·福建厦门双十中学高二月考)铀235是核电站的主要核燃料，核反应堆在工作时，铀235既发生裂变，也发生衰变。铀235裂变方程为U＋n→X＋Kr＋3n，衰变方程为U→Y＋He，则下列说法正确的是(　　) A．上述裂变过程放出能量，衰变过程也放出能量 B．衰变产生的新核Y不再具有放射性 C．裂变产生的新核X中含有143个质子 D．核裂变释放能量产生的高温会加快铀235的衰变 答案　A 解析　根据核反应的特点可知，裂变与衰变都放出能量，A正确；Y原子核中含有的电荷数为92－2＝90，大于83，是具有放射性的，B错误；根据电荷数守恒和质量数守恒，可知X的质量数为144，电荷数为56，即质子数为56，C错误；半衰期与温度无关，D错误。 3．(多选)(2022·福建厦门一中阶段练习)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是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　由核反应方程知，裂变反应中伴随着中子放出，故A正确；通常把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，因此铀块的体积不小于临界体积才能发生链式反应，故B错误；核反应堆的铀核链式反应的速度可人工控制，故C正确。 放射性元素的半衰期由核本身的因素决定，与环境温度无关，故D错误。 4．(2022·上海市奉贤区高二期中)核工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时出现操作失误，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是(　　) A．临界体积 B．临界压强 C．临界温度 D．由一定的温度、体积和压强共同确定 答案　A 解析　临界体积是核反应技术中的重要参数。如果核原料(六氟化钠)投入太多，提炼成核反应材料(二氟化铀)，就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会产生核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。 5．我国目前已建成的秦山核电站和大亚湾核电站，都是利用核燃料U在裂变反应堆中“燃烧”产生的热能使水汽化以推动汽轮机发电的。已知一个U在反应堆中完全“燃烧”放出的能量约为200 MeV，e＝1.6×10－19C，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1。 (1)1 gU完全“燃烧”释放出的能量约为多少？ (2)秦山核电站的发电功率为3.0×105 kW。假定核燃料U完全“燃烧”释放的能量有90%转变成电能，则该核电站每年需消耗纯U约多少？ 答案　(1)8.2×1010 J　(2)128.2 kg 解析　(1)1 gU中含有U原子的个数为 N＝NA＝×6.0×1023个 则1 gU裂变释放的能量为 E0＝N×200 MeV＝×6.0×1023×200×106×1.6×10－19 J≈8.2×1010 J (2)设每年需消耗纯U质量为m，则释放的能量为E＝mE0，由题意可得90%E＝Pt 其中P＝3.0×105 kW t＝365×24×3 600 s＝3.153 6×107 s 联立解得m≈128.2 kg。 6．(2023·广东江门市广雅中学高二下期末)在一个反应堆中用石墨做慢化剂使中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。其中，lg2＝0.301，lg3＝0.477，lg11＝1.041，lg13＝1.114。 (1)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ (2)至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于10－6E0? 答案　(1)E0　(2)42次 解析　(1)设中子和碳核的质量分别为m和M，碰撞前中子的速度为v0，碰撞后中子和碳核的速度分别为v和v′，根据动量守恒定律，可得mv0＝mv＋Mv′ 根据弹性碰撞中动能守恒，可得 E0＝mv02＝mv2＋Mv′2 联立可解出v＝v0 已知M＝12m，代入可得v＝－v0 则在碰撞过程中中子损失的动能为 ΔE＝mv02－mv2＝E0 (2)中子与碳核第一次碰撞后剩余的动能为 E1＝mv12＝2E0 同理经过第二次碰撞后，中子剩余的动能为 E2＝mv22＝2×2E0 第n次碰撞后中子剩余的动能为 En＝mvn2＝2nE0<10－6E0 由2nE0<10－6E0 解得n>41.35，所以至少经过42次碰撞，中子的动能才能小于10－6E0。 学科网（北京）股份有限公司 $$