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

物理选择性必修 第三册 第 5 章 原子核与核能 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。 2．知道什么是链式反应。 3．知道什么是核反应堆，了解常用裂变反应堆的类型。 知道聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量。 1.了解可控热核反应及其研究和发展前景。 2．了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类。 3．了解核能利用的优势、危害及其防护措施。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 [对应学生用书P91] 知识点一 重核裂变与链式反应 必备知识/自主学习 1.重核裂变➊ (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 ，这种核反应过程称为核裂变。 (2)铀核的裂变➋ ①一种常见的核反应方程： 。 ②在不同的裂变反应中， 核释放的能量也不同。如果按照一个 核裂变时释放____MeV的能量来估算，1 kg的 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。 能量 3 n 0 1 200 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 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_____成较重核引起结合能变化的方式可获得_____。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 ，平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV，要比裂变中平均每个核子释放的能量 。 (3)轻核聚变的优点：聚变反应不仅能释放 的能量，而且其所用的燃料氘和氚容易 。氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应 得到。 2．链式反应 (1)定义：在 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，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击 ，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 。能发生链式反应的铀块的 体积称为临界体积➌。 (2)发生条件：铀核的体积达到 。 链式反应 最小 临界体积 He＋ n 2 4 0 1 大得多 巨大 获得 聚变 核能 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 2．可控热核聚变➍ (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_____作用的范围。以氘核发生聚变为例，必须在大约 高温下，使氘核获得至少70 keV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108 K，在这样的高温下，原子已 ，形成了物质第四态——等离子态。 (3)约束等离子体的三种方式：引力约束、 、惯性约束。 108 完全电离 磁约束 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____转化为_____的发电厂。 (2)目前核电站的反应堆以 为燃料，发电成本低于煤电。 (3)采用 可以使资源得到充分利用。 U 92 235 增殖反应堆 核力 电能 核能 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 2．原子弹和氢弹 (1)原子弹是一种没有 、 的爆炸性 装置。 (2)氢弹➎是一种不需________而实现核聚变的反应装置。它利用 和 迅速地聚变成 ，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机。 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 。 减速剂 不加控制 链式反应 小 人工控制 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 (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。 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。( ) × √ × 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 批注❶：核裂变示意图 批注❷：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➌：对于纯铀235组成的球形体系，临界质量约为50 kg，临界直径约为16.8厘米。 批注➍：太阳辐射的能量是在氢聚变成氦的过程中产生的。要使两个轻核接近到10-15 m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。 批注➎：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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 关键能力/互动探究 [对应学生用书P93] 探究点一　重核裂变与核反应堆　　(物理观念之形成) ▶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． 92U两种典型的裂变方程 235 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 (2)控制棒：镉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、液态钠等作冷却剂，在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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 ▶对点例练 【例1】(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 ，各个核和中子的质量如下： 92U(质量为235.043 9 u), 56Ba(质量为140.913 9 u)，36Kr(质量为91.897 6 u)，01n(质量为1.008 7 u)，(1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，1 kg标准煤完全燃烧产生的热量约为2.9×107 J)，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铀235 B．裂变反应堆中，镉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．1 kg铀全部裂变所放出的能量约为2.83×106 kg标准煤完全燃烧时放出的热量 BCD 235 144 92 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 解析： 56 144 92 235 0 1 36 89 0 1 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 (1)根据爱因斯坦质能方程计算。用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。 (2)根据1原子质量单位u相当于931.5 MeV能量计算。用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV。 (3)由核能的转化量计算 计算重核裂变释放的核能常用方法 方法技巧 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 [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讹诈，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(　　) B 解析： A项反应是α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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 2．重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 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 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。 1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当 可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 ▶对点例练 【例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 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。 BD 2 1 2 4 1 3 0 1 2 1 2 4 1 3 0 1 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 (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α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α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种。 对核反应的两个认识误区 方法技巧 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 【例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氘核和一个氚核聚合成一个氦核的同时放出一个中子，反应的方程式为： H＋ H→ He＋ n，已知 H、 H、 He、 n的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u、1.008 7 u，1 u＝931.5 MeV，下列说法正确的是(　　) A．该反应过程中，释放的总能量约为17.6 MeV B．该反应过程中，释放的总能量约为3.5 MeV C．该反应过程中，平均每个核子释放的能量约为3.5 MeV D．该反应过程中，平均每个核子释放的能量约为0.7 MeV 解析： AC 2 1 2 4 1 3 0 1 1 3 2 4 0 1 2 1 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 探究点三　核能的利用与环境保护　(科学思维之提升) 1．核能的利用 核原料提供的能量巨大，1 kg铀释放的全部能量大约相当于2 700 t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，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔。热核反应所需的氘更是储量丰富。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、氮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。 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，外面密封锆合金包壳，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。 ▶要点归纳 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 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，一年只消耗浓缩铀30 t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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 【例3】(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→ He＋X，关于该反应，下列说法正确的是(　　) 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 解析： ▶对点例练 5 10 2 1 2 4 1 3 0 1 2 4 2 1 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，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。 2 1 2 4 BC 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 [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4 000万千瓦的水平，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 解析： 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，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。 C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 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 解析： B 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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 [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＋X→ Be＋ν，方程中X表示某种粒子， Be是不稳定的粒子，其半衰期为T，则下列说法正确的是(　　) A．X粒子是 He B．若使 Be的温度降低，其半衰期会减小 C．经过2T，一定质量的 Be占开始时的 D．“核燃烧”的核反应是裂变反应 A 2 4 8 4 2 4 解析： 根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X粒子的质量数为4，电荷数为2，为 He，A正确；温度变化不能改变放射性元素的半衰期，B错误；经过2T，一定质量的 Be占开始时的 ，C错误；“核燃烧”的核反应是轻核聚变反应，D错误。 2 4 8 4 8 4 8 4 8 4 返回导航 物理选择性必修 第三册 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 谢谢观看！ 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，故利用镉棒的作用吸收中子，控制反应速度，故B正确；要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积，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：Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝(235.043 9＋1.008 7)u－(140.913 9＋91.897 6＋3×1.008 7)u＝0.215 u释放的核能为：ΔE＝Δmc2＝0.215×931.5 MeV≈200 MeV，已知235 g铀有6.02×1023个铀核，那么1 kg铀内铀核的个数为：N＝ eq \f(1,0.235)×6.02×1023≈2.56×1024，由此可知1 kg铀全部裂变释放的能量为：E＝N·ΔE＝2.56×1024×200 MeV＝5.12×1032 eV≈8.2×1013 J，则相当于优质煤的质量为：M＝ eq \f(8.2×1013,2.9×107) kg≈2.83×106 kg，故D正确。 该反应过程中，释放的总能量为E＝(2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u)×931.5 MeV≈17.6 MeV，故A正确，B错误；一个氘核有两个核子，一个氚核有三个核子，则反应过程中，平均每个核子释放的能量为 eq \f(E,5)＝ eq \f(17.6 MeV,5)≈3.5 MeV，故C正确，D错误。 eq \f(1,8) eq \f(1,4) $$