5.4 核裂变和核聚变&5.5 核能的利用与环境保护（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保扩 O课标导航 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解可控热核反应及其研 核 1.知道核裂变的概念,知道重核 究和发展前景。 心 裂变中能释放出巨大的能量。 知道聚变反应的特点 2. 了解核电站的构造和基本 2. 知道什么是链式反应。 , 及其条件,并能计算 原理,了解核武器的种类。 养 3. 知道什么是核反应堆,了解 核聚变释放的能量。 3. 了解核能利用的优势、危 常用裂变反应堆的类型。 害及其防护措施。 必备知识/自主学习 [对应学生用书P >>>>>>>> 知识梳理 知识点一 重核裂变与链式反应 1.重核裂变① (1)定义:用中子轰击铀核,发现铀核分裂成质量相近的两部分,并释放出能量,这种核 反应过程称为核裂变。 (2)铀核的裂变② ①一种常见的核反应方程:U+n→Ba+Kr+3n ②在不同的裂变反应中,U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放 200MeV的能量来估算,1kg的UU全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃 烧释放的能量。 2. 链式反应 (1)定义:在U核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可放出2~3个中子,这些中 独家授权侵权必究 · 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击U,使之发生裂变,就能产生第2代中 子。这样继续下去,中子会不断增加,裂变反应会不断加强,这就形成了裂变的链式反应。 能发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积 (2)发生条件:铀核的体积达到临界体积。 知识点二 轻核聚变与可控热核聚变 1轻核聚变 (1)定义:采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样的核反应称为 核聚变。 (2)太阳内部的核聚变:太阳内部氢核聚变的反应方程为H+H→,4He土,n, 平均每个 核子释放的结合能约为3.5MeV,要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多 (3)轻核聚变的优点:聚变反应不仅能释放巨大的能量,而且其所用的燃料氛和氛容易获 得。氛可从海水中提取,天然的氛不存在,但可通过核反应n+Li→He+H得到 2. 可控热核聚变4 (1)热核聚变的条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的间距达到核力作用的范围。 以氛 核发生聚变为例,必须在大约10K高温下,使氛核获得至少70keV的动能才能达到核力作 用的范围而发生核聚变 (2)物质第四态:轻核聚变温度到达108K,在这样的高温下,原子已完全电离,形成了 物顾第四态-等离子态 (3)约束等离子体的三种方式:引力约束、磁约束、惯性约束。 知识点三 核能的利用与环境保护 1.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)目前核电站的反应堆以U为燃料,发电成本低于煤电。 (3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用。 2. 原子弹和氢弹 (1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 (②)氢弹 是一种不需人工控制而实现核聚变的反应装置。它利用H和H迅速地聚变 成He,产生比原子弹更为强烈的爆炸。 3. 核能的优势与危害 (1)核能作为一种新能源,有很多优势。 ①核能发电可缓解能源危相 ②在安全运行的情况下,核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。 (2)核能的利用也存在一些危害。 ①核燃料使用后,存留一定量的具有高放射性的核废料。 ②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破坏 乙思考判断 1. 铀核的裂变是一种天然放射现象。(×) 2. 轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围。() 3.因为核废料的高辐射性,核能发电比燃煤发电对环境的污染要大。(×) >>>>7 批注释义 《 批注①: 核裂变示意图 中子 铀核 铀核加中子 ,快中子 核分裂 两个子核 批注②:中子进入铀235形成处于激发状态的复核,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2~3个中子。 批注:对于纯铀235组成的球形体系,临界质量约为50kg,临界直径约为16.8厘米。 84em 5okg 2U(纯) 批注:太阳辐射的能量是在氢聚变成氢的过程中产生的。要使两个轻核接近到10-15m 内,核力才能发生作用,但进入这样的范围需克服很大的库仑斥力,使轻核具有足够的能量 是难点之一。 独家授权侵权必究 · 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com) 您身边的互联网+教辅专家 批注:氢弹利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。 关键能力/互动探究 [对应学生用书P] 探究点一 重核裂变与核反应堆 (物质观念之形成 ·要点归纳 1. 裂变过程放出能量的原因 中等大小的原子核的平均结合能最大,这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小 的核,核子的平均结合能会增加,发生质量亏损并释放出能量。 2. U两种典型的裂变方程 U+n→Xe+Sr+2n U+n→Ba+Kr+3n 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。体积超过临界体积时,保证中子能够碰到铀核。 (2)有足够浓度的铀235。 (3有足够数量的慢中子。 4. 反应堆工作原理 (1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,如图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。 一辐树 水泥 防护层 慢化剂 (2)控制棒: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、液态纳等作冷却剂,在 独家授权侵权必究· 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 反应堆内外循环流动,把热量传输出去,用于驱动汽轮机,使发电机发电。 (4)保护层: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 对点例练 (多选)(2022辽宁高二期末)中国自主三代核电“华龙一号”示范工程第2台机组 -中核集团福清核电6号机组2022年3月25日投入商业运行,至此“华龙一号”示范工 程全面建成投运。“华龙一号”在安全、技术和经济指标上已经达到或超过了国际三代核电用 户需求。“华龙一号”利用重核的裂变,一个重要的核反应方程是U+n→Ba十“Kr+3 n,各个核和中子的质量如下:U(质量为235.0439u).Ba(质量为140.9139u),Kr(质 量为91.8976u),。n(质量为1.0087u),(1u的质量对应的能量为931.5MeV,1kg标准煤完 全燃烧产生的热量约为29×107D,则下列说法正确的是( ) A. 利用速度很大的快中子容易轰击开钟235 B. 裂变反应堆中,棒的作用是吸收中子,控制反应速度 C. 要使链式反应发生,裂变物质的体积要大于它的临界体积 D. 1kg钟全部裂变所放出的能量约为2.83×10kg标准煤完全燃烧时放出的热量 BCD 解析:速度很大的快中子不容易被铀235俘获,则需要慢中子轰击铀核才容易发 生裂变反应,故A错误:裂变反应堆中,中子的数量是控制反应速度的关键,故利用幅棒的 作用吸收中子,控制反应速度,故B正确;要使链式反应发生,裂变物质的体积要天于它的 临界体积,故C正确;铀核裂变的核反应方程是 U+n→Ba+Kr+3 n,则质量亏损为:m=(m+m)-(m+m+3m )-(235.0439+10087)u-(140.9139+ 91.8976+3x10087u=0.215u释放的核能为:AE=Amc2-0.215×931.5MeV~200MeV 己知235g铀有6.02×1023个铀核,那么1kg铀内铀核的个数为:N-10.235×6.02×1023~ 2.56X1024,由此可知1kg铀全部裂变释放的能量为:E=NAE-2.56×1024X200MeV-5.12 ×1032eV~8.2×1013J,则相当于优质煤的质量为:M-8.2x10132.9x107kg~2.83×106kg 故D正确。 方法技巧 计算重核裂变释放的核能常用方法 (1)根据爱因斯坦质能方程计算。用裂变反应中质量亏损(An)的千克数乘以真空中的光速 独家授权侵权必究 & 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 (c-3×10m/s)的平方,即AE=Amc2。 (2)根据1原子质量单位u相当于931.5MeV能量计算。用裂变反应中质量亏损的原子质 量单位数乘以9315MeV,即AE=Am×9315MeV (3)由核能的转化量计算。) [练1](2022湖北襄阳高二期末)原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的,在极短的时 间内能够释放大量的核能,发生猛烈爆炸。1964年10月16日中国自行制造的第一颗原子弹 爆炸成功,有力地打破了西方国家的核垄断和核讯诈,提高了中国的国际地位。下列核反应 方程式中属于原子弹爆炸的核反应方程式的是( _~ A. U→Th+He B. U+n→s+Xe+10n C. N+H→C+He D. H+H→He+n B 解析:A项反应是a衰变,故A错误:B项反应方程是重核裂变,故B正确;C项反 应是一般的核转变,故C错误:D项反应方程是氢核聚变,故D错误。 探究点二 对轻核聚变的理解 (科学思维之提升) 要点归纳 1:核聚变的特点 (1)轻核聚变是放能反应:从平均结合能的图线看,轻核聚变后平均结合能增加,因此聚 变反应是一个放能反应。 (2)在消耗相同质量的核燃料时, 轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 (3)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下 去。 (4)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。 2. 重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 重核分裂成两个或多个中等质量的原 两个轻核结合成质量较大的原子核,放 放能原理 子核,放出核能 出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍 独家授权侵权必究. 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 核废料处 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 理难度 核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤 主要原料是氛,氛在地球上的储量非常 原料的蕴 丰富。1L海水中大约有0.03g氛,如 其用于核裂变的铺235在铀矿右中只 藏量 果用来进行热核反应,放出的能量约与 占0.7% 燃烧300L汽油相当 速度比较容易进行人工控制,现在的 可控性 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它 核电站都是用核裂变反应释放核能 对点例练 2(2022浙江绍兴高二期末)2021年5月,中国的“人造太阳”在1.2亿摄氏度下,成 功“燃烧”101秒。这标志着我国核聚变研究又获得重大突破,也为人类获得可控核聚变能 源奠定了商用的物理和工程基础。关于核聚变,下列说法中正确的是( ) A. 核聚变可以在常温下发生 B. 太阳释放的巨大能量是核聚变产生的 C. 聚变反应比较好控制,因此能源危机马上会解决 D. “人造太阳”内部的反应是H+H→He+n的聚变反应 BD 解析:核聚变反应属于热核反应,必须在高温下进行,故A错误;太阳释放的巨 大能量是核聚变产生的,故B正确;要实现聚变反应,必须使参加反应的轻核充分接近,需 要数百万度高温,聚变反应一旦实现,可在瞬间产生大量热能,地球上没有任何容器能够承 受如此高的温度,实现受控热核反应还需要很长一段路,故C错误;“人造太阳”内部的反 应是轻核聚变,反应方程为H+H→He+n,故D正确。 方法技巧 对核反应的两个认识误区 (1)误认为聚变就是裂变的逆反应。产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解 透,裂变时重核分裂成中等核,而聚变是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 h.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 应。 (2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程。核聚变是轻核结合成质量较大的 核,也会放出中子;重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核,并放出几 个中子:人工核转变常用a粒子或中子去轰击原子核,产生新原子核并放出一个或几个粒子; 衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出a粒子或B粒子的反应,衰变根据向外 辐射粒子的不同分为a衰变和B衰变两种。 [练2](多选)(2022辽宁抚顺高二期末)太阳内部核反应的模式之一是一个氛核和一个氛 核聚合成一个氢核的同时放出一个中子,反应的方程式为:H+H→He十n,已知} H 3H _ He。 _{ n的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u、1.0087u,1u=931.5MeV,下列说法正确 的是( ) A. 该反应过程中,释放的总能量约为17.6MeV B.该反应过程中,释放的总能量约为35Mey C.该反应过程中,平均每个核子释放的能量约为3.5MeV D. 该反应过程中,平均每个核子释放的能量约为0.7MeV AC 解析:该反应过程中,释放的总能量为E=(2.0141u+30161u-4.0026u-1008 7u)×931.5MeV~17.6MeV,故A正确,B错误;一个氛核有两个核子,一个氛核有三个核 子,则反应过程中,平均每个核子释放的能量为E5一17.6MeV5~3.5MeV,故C正确,D错 误。 探究点三 核能的利用与环境保护 (科学思维之提升) 要点归纳 1. 核能的利用 核原料提供的能量巨大,1kg铀释放的全部能量大约相当于2700t标准煤完全燃烧放出 的能量。地球上的常规能源一般都无法跟核能相比。除铀外,针也是一种裂变材料,它比铀 更丰富,如果能把针利用起来,核电的发展前景将更为广阔。热核反应所需的氛更是储量丰 富。核原料的运输和储存方便,如:一座100万千瓦核电站一年所需原料铀,只需6辆卡车 就可全部运到现场。 核电站不排放二氧化碳、氢氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘,有利于环境 保护。 独家授权侵权必究 · 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 hzxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 2. 环境保护 核电站为防止放射性物质的泄漏,一般有4道安全屏障:二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留 裂变产物,外面密封错合金包壳,第三道是压力边界,第四道是安全壳。这些措施大大提高 了核能利用的安全性。 3. 废料处理 对核废料先回收利用,剩下的废料就很少了,将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥 固化后,储存在地下浅层废料库,对高放射性的废料采用玻璃固化后,埋藏在深层废料库。 加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性 4:核电站 (1)原理 原子核的链式反应是在人工控制下进行。释放的核能转化为内能,再由蒸汽轮机带动发 电机转化为电能,使核能为人类和平建设服务。 (②优点 ①核能发电比燃煤发电的成本低,一座百万千瓦级的核电站,一年只消耗浓缩钟30t左 右,而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤。 ②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多 对点例练 (多选)(2022:广东清远高二期末)2020年12月4日,中国“环流器二号”M装置在 成都建成并实现首次放电,其核反应方程为,H+,H→,4He+X,关于该反应,下列说法正 确的是( ) “环流器二号”M装置 A.该反应为裂变反应 B. 方程中的X为中子(n) C. 反应后,核子的平均质量减小 D. H的比结合能比He的比结合能大 BC 解析:该反应为聚变反应,故A错误;根据核反应中质量数和电荷数均守恒可得, X的质量数为1,质子数为0,则X为中子,故B正确;聚变反应是放能反应,有质量亏损; 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 h.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 反应后核子的平均质量减小,故C正确;H的比结合能比He的比结合能小,故D错误。 [练3]为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核 能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运 行装机总容量达到4000万千瓦的水平,请根据所学物理知识判断,下列说法错误的是 _ A. 核能发电对环境的污染比火力发电要小 B. 所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能 C. 所有核电站既有重核裂变,又有轻核聚变释放大量的原子能 D. 如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理更简单,对环境污染更小 C 解析:目前核电站都用核裂变,其原料是铺;且核能是比较清洁的能源,故A、B 正确,C错误:如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理起来比铀核裂变废料更 容易,对环境污染也更小,D正确。 探究点四 解决实际问题(科学态度与责任之落实 [练4](科学情境)2021年1月21日中广核集团在深圳召开2021年度媒体通报会,会议 指出,2020年度中广核24台核电机组保持安全稳定运行,世界核运营者协会WANO指标中 72.6%的指标达到世界先进水平,平均能力因子连续三年保持92%以上,其中宁德核电2号 机组全部WANO指标达到卓越值。以下关于核能的有关说法正确的是( ) A. 宁德核电2号机组利用的是轻核聚变 B. 原子核比结合能越大原子核越稳定 C. 重核裂变是重核分裂成中等大小的核,核的比结合能减小 D. 重核裂变反应中亏损的质量变成了能量 B 解析:现在所有投入运营的核电站用的都是重核裂变,A错误:原子核比结合能越 大,核子结合得越牢固,原子核越稳定,B正确;重核裂变的过程中释放能量,所以重核分 裂成中等大小的核,核的比结合能增大,C错误;核裂变反应中释放核能有质量亏损,质量 与能量之间存在一定的关系,但不是质量转变为能量,D错误 [练5](科学情境)国产科幻大片《流浪地球》讲述了太阳即将在未来出现“核燃烧”现象 从而导致人类无法生存,决定移民到半人马座比邻星的故事。据科学家论证,太阳向外辐射 的能量来自其内部发生的各种热核反应,当太阳内部达到一定温度时,会发生“核燃烧”, 其中“核燃烧”的核反应方程为He十X→Be十v,方程中X表示某种粒子,Be是不稳定 的粒子,其半衰期为7,则下列说法正确的是( 独家授权侵权必究 。