第5章 第4、5节 核裂变和核聚变　核能的利用与环境保护（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版 福建专用）

本讲义聚焦核裂变、核聚变及核能利用与环境保护核心知识点，系统梳理重核裂变的定义、链式反应及临界体积，轻核聚变的反应条件与约束方法，以及核电站工作原理等内容，构建从核反应类型到实际应用再到环境影响的完整知识支架。 资料通过“质疑辨析”“情境思考”等环节，结合铀核裂变判断、氢弹高温原因分析等实例，培养学生科学思维中的质疑创新与科学推理能力，强化科学态度与责任中的环境意识。课中辅助教师高效授课，课后助力学生回顾知识、查漏补缺，提升学习效果。

第4、5节　核裂变和核聚变　核能的利用与环境保护 (赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.了解裂变反应和聚变反应。 2.关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 1.知道核裂变、核聚变、链式反应、临界体积、引力约束、磁约束、惯性约束的概念。 2.知道核聚变方程、核裂变方程及质量数、能量守恒。 3.了解裂变反应堆的应用、核能的应用与危害。 一、重核裂变　链式反应 1.重核裂变 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 裂变能 核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能 典型裂 变反应 nUSrXe+n nUBa+Kr+n 2.链式反应 (1)定义：当中子轰击U核使其裂变释放出巨大能量的同时，释放出的中子继续轰击U，使之发生裂变，这样继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。 (2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积。 [质疑辨析] 　　如图所示，为铀核裂变示意图，请对以下说法作出判断： (1)铀核裂变是一种天然放射现象。 (×) (2)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。 (×) (3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。 (√) (4)核反应堆用过的核废料无毒无害。 (×) 二、轻核聚变　可控热核聚变 1.核聚变：轻核聚变成较重核而释放核能的核反应。 2.常见的聚变方程 (1)一个氘核和一个氚核结合成一个氦核： HHHen 这个核反应可释放17.51 MeV的能量，平均每个核子释放3.5 MeV的能量。 (2)HHHH+4.00 MeV。 3.轻核聚变的反应条件：核间距接近10-15 m，核力发生作用的距离内。 4.约束核聚变材料的方法：引力约束、磁约束和惯性约束。 [情境思考] 如图所示，为氢弹爆炸形成的蘑菇云，实际上氢弹爆炸是由原子弹爆炸产生的高温高压引发的，那么氢弹中核聚变反应为什么需要几百万摄氏度的高温呢? 提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10-15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能，只有温度达到几百万摄氏度，原子核才可以具有这样大的动能。 三、核能的利用与环境保护 1.核电站：将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。 工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能。 燃料：反应堆以U为燃料。 2.核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器。 3.核能的优势 (1)核能发电比燃煤发电的成本低。 (2)核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。 4.核能利用存在的危害 (1)核废料的高放射性。 (2)放射性物质泄漏，产生核污染。 (3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。 [质疑辨析] 秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站，地处浙江省海盐县。秦山核电站工程建设自1985年3月开工，1991年12月并网发电。 秦山核电站的建成发电，使我国成为世界上第7个能够自行设计、建造核电站的国家。 请对以下说法作出判断： (1)核原料与火力发电所用煤相比，便于运输和储存。 (×) (2)在核电站，核裂变释放的大量核能可以直接用于发电。 (×) (3)核电站中控制核反应速度用的是镉做成的镉棒。 (√) 强化点(一)　重核裂变与链式反应 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　观察铀核裂变示意图。 (1)铀核裂变是如何发生的? (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗? (3)链式反应在自然界中能自发进行吗? 提示：(1)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，使得原子核由于质子间的库仑斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。 (2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。 (3)链式反应只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生。 [要点释解明] 1.重核裂变的理解 (1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。 (2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小，所以在重核分裂为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。 2.链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积。当体积超过临界体积时，才能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。 3.铀235比铀238更易发生链式反应 (1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。 (2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。 　　[典例]　铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是 (　　) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子 C.若裂变的链式反应能够发生，铀235的体积必须大于或等于它的临界体积 D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关 [解析]　要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于等于临界体积(或临界质量)，A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的概率小，B错误。 [答案]　C [误区警示] (1)裂变的中子方面：铀核裂变的产物是多样的，放出的中子数目有多有少，中子的速度也有快有慢。 (2)发生链式反应的条件方面：裂变物的体积必须大于等于临界体积才能发生链式反应。 [题点全练清] 1.UnX+Sr+1n为核动力潜艇所用燃料的一种核反应方程。关于该核反应，下列说法正确的是 (　　) A.X的质子数为141 B.X的中子数为87 C.核反应前后核子的总质量不变 D.X比U更稳定 解析：选D　根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为235+1-94-10=132，X的电荷数为92-38=54，则X的质子数为54，中子数为132-54=78，故A、B错误；核反应遵循的是质量数守恒而非质量守恒，则核反应前后核子数相等，但核子的总质量不相等，故C错误；核反应过程中释放能量，因此生成的X的平均结合能比U的平均结合能大，则X更稳定，故D正确。 2.(2025·济宁高二阶段练习)(双选)浙江秦山核电站第三期工程有两个70万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是 (　　) A.U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 BU的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为UnBaKr+n CU是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短 D.一个U核裂变能放出约200 MeV的能量，约3.2×1 J 解析：选BDU裂变时，核子数、质量数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，产生质量亏损，释放核能，故A错误；根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可知，B正确U的半衰期由核内部自身的因素决定，不会随环境温度的变化而改变，故C错误；200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J，故D正确。 3.下面是铀核裂变反应中的一个UnXeSr+1n。已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中质量亏损Δm=　　　　u，释放的核能ΔE=　　　　MeV。  解析：质量亏损Δm=235.043 9 u+1.008 7 u-135.907 2 u-89.907 7 u-10×1.008 7 u=0.150 7 u。由ΔE=Δmc2可求得释放的核能ΔE=0.150 7 ×931.5 MeV=140.377 05 MeV。 答案：0.150 7　140.377 05 强化点(二)　轻核聚变及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 如图为氢弹原理示意图。 (1)核聚变需要满足什么条件? (2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹? 提示：(1)要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m。 (2)它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。 [要点释解明] 1.聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。 2.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。 3.核聚变的特点 (1)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。 (2)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。 (3)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。 4.核聚变的作用 (1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它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。 (2)可控热核反应：目前处于探索阶段。 　　[典例]　中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是 (　　) A.相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多 B.氘氚核聚变的核反应方程为HHHee C.核聚变的核反应燃料主要是铀235 D.核聚变反应过程中没有质量亏损 　　[解析]　相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A正确；根据质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为HHHen，B错误；核聚变的核反应燃料主要是氘核和氚核，C错误；核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，D错误。 [答案]　A [题点全练清] 1.太阳内部核反应的主要模式之一是质子—质子循环，循环的结果可表示为HHe+e+2ν，已知H和He的质量分别为mp=1.007 8 u和mα=4.002 6 u，1 u=931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为 (　　) A.8 MeV　　　　　 B.16 MeV C.26 MeV D.52 MeV 解析：选C　由核反应方程可知，4个H转变成1个He的过程中的质量亏损Δm=4×1.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u，释放的核能ΔE=0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，故选项C正确。 2.(2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023 mol-1，氘核摩尔质量为2 g·mol-1，1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是 (　　) A.核反应方程式为HHHen B.氘核的平均结合能比氦核的大 C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变 D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV 解析：选D　核反应方程式为HHHen，故A错误；氘核的平均结合能比氦核的小，故B错误；要使氘核与氚核发生核聚变，必须使它们间的距离达到10-15 m以内，故C错误；一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7)u=0.018 9 u，聚变反应释放的能量为ΔE=Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全参与聚变释放出能量E=×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，数量级为1025 MeV，故D正确。 强化点(三)　核电站的组成与工作原理 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　如图所示为核电站工作流程示意图： 核电站的核心设施是什么? 提示：核反应堆。 [要点释解明] 1.核电站的主要组成 核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格： 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥防护层 作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染 2.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，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)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。 (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、液态的金属钠等冷却剂在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动汽轮发电机发电。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。 3.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。 [题点全练清] 1.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成。下列选项中正确的是 (　　) A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C.原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统 D.原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统 解析：选A　核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%~4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统用于调节中子的数目以控制链式反应的速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态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，同时使反应堆冷却，保证安全。 2.如图所示是当前核电站普遍使用的核反应堆的示意图，关于该反应堆中进行的核反应，下列说法中正确的是 (　　) A.图示装置中进行的核反应类型是核聚变 B.要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深 C.该核反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒 D.石墨起到降低反应温度的作用 解析：选C　图示装置中进行的核反应类型是核裂变，故A错误；将铀棒插入得更深，中子接触的铀原子更多，反应加剧，故B错误；裂变反应的燃料是铀，反应过程发生质量亏损，质量不守恒，故C正确；石墨主要是将快中子变为慢中子，故D错误。 3.(2025·龙岩高二检测)在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。 (1)核反应方程式UnBaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为　　　　，a=　　　。以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是　　　　　　　　。  (2)有一座发电功率为P=1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11 J，U核的质量mU=390×10-27 kg，求每年(1年=3.15×107 s)消耗的U的质量。 解析：(1)由核反应方程式可知，X为n，a为3， 释放的能量为ΔE=(mU-mBa-mKr-2mn)c2。 (2)因核电站的发电效率为40%， 故核电站消耗核能的功率为 P'== kW=2.5×106 kW， 核电站每年消耗的核能为 W=P't=2.5×109×3.15×107 J=7.875×1016 J。 每年消耗U的质量为 M=mU=kg≈1 105 kg。 答案：(1n　3　(mU-mBa-mKr-2mn)c2 (2)1 105 kg 学科网（北京）股份有限公司 $