第五章 4 核裂变与核聚变（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（人教版 浙江）

4　核裂变与核聚变 ［学习目标］　1.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(重点)。2.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(重难点)。3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 一、核裂变的发现 1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？ 答案　铀核的裂变。 1.核裂变：铀核在被中子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nKr+n。 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链式反应。 4.临界体积和临界质量：核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，相应的质量叫作临界质量。 5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以放出能量。 1.如图所示为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。 (2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于或等于临界体积，才会发生链式反应。 2.总结维持链式反应的条件。 答案　(1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。 (2)有慢中子轰击。 (3)有足够浓度的铀235。 例1　(2023·温州市期末)铀核()是核反应主要原料之一，其中一种核反应方程为nSr+10K。下列说法正确的是(　　) A.该核反应是重核裂变反应，其中K是中子 B.该核反应产物的放射性可以通过人工手段去消除 C.该核反应产物的结合能之和等于核反应前反应物的结合能之和 D.核反应时释放能量，根据E=mc2，核反应后的总质量数减少 答案　A 解析　根据质量数守恒和电荷数守恒可得，K的质子数为0，质量数为1，则K是中子，故A正确；放射性物质的半衰期非常稳定，不会随着外界环境改变而改变，因此不可以通过人工手段消除，故B错误；由于该反应为放能反应，释放核能后结合能增大，因此该核反应产物的结合能之和大于核反应前反应物的结合能之和，故C错误；核反应时释放能量，总质量减小，而总质量数保持不变，故D错误。 1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，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，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变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。 例2　若俘获一个中子裂变成Sr及两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u。(1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出铀核裂变的核反应方程； (2)求一个俘获一个中子发生上述裂变所释放的能量。(结果保留2位有效数字) 答案　(1)nSr+1n (2)1.4×102 MeV 解析　(1)根据核反应的质量数守恒与电荷数守恒有nSr+1n。 (2)该核反应的质量亏损为 Δm=(235.043 9+1.008 7) u-(89.907 7+135.907 2+10×1.008 7) u=0.150 7 u； 释放的能量为ΔE=Δm×931.5 MeV≈1.4×102 MeV。 二、反应堆与核电站 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分： 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 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.工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的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水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 例3　(2023·浙江省十校联盟联考)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，中子速度减小变为慢中子。下列说法正确的是(　　) A.“慢化剂”使快中子变慢中子，慢中子更难被铀核俘获，从而减缓反应速度 B.裂变后的新核的比结合能小于铀核的比结合能 C.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 D.当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒，达到加快核反应速度的目的 答案　D 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；重核裂变的过程中有质量亏损，释放核能，比结合能大的原子核更稳定，故新核的比结合能大于铀核的比结合能，B错误；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错误；镉棒的作用是吸收中子以控制反应速度，当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒，达到加快核反应速度的目的，D正确。 三、核聚变 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(举例)：HHen+17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到10-15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5.人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 6.核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 例4　(2024·绍兴市高二期末)2023年8月25日，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。关于聚变反应HHHe+X，下列说法正确的是(　　) A.X为质子 B.核聚变和核衰变均是可逆的 C.质量亏损相同时，聚变比裂变释放更多的能量 DH的比结合能小于He 答案　D 解析　根据质量数、电荷数守恒，X应为中子，故A错误；核聚变和核衰变均是不可逆的，亏损相同的质量时，聚变和裂变释放的能量相同，故B、C错误；聚变放出能量，反应生成物He比反应物H更稳定，所以H的比结合能小于He，故D正确。 课时对点练　［分值：80分］ 1~8题每题5分，共40分 考点一　重核的裂变及链式反应 1.关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 答案　D 解析　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。 2.(多选)2020年11月8日，我国核潜艇第一任总设计师、中国工程院院士彭士禄荣获第十三届光华工程科技成就奖。核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，其中一种核反应方程为n→XSr+n，下列说法正确的是(　　) A.X有54个质子，78个中子 B.X的比结合能比铀核的小 C.裂变反应前后质量没有变化 D.该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变 答案　AD 解析　根据核反应遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X的质子数为54个，中子数为132-54=78个，故A正确； X是中等质量的核，比结合能比铀核的大且稳定，故B错误； 裂变释放核能，所以有质量亏损，故C错误； 该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变，故D正确。 3.(多选)(2023·台州市模拟)核电站的核能来源于核的裂变，下列说法中正确的是(　　) A.反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理 B.的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如和Sr，反应方程式为nSr+n C.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.原子核中有92个质子、143个中子 答案　BD 解析　反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故A错误； 发生核反应的过程满足电荷数守恒和质量数守恒，故裂变的反应方程式为nSr+n，故B正确； 半衰期由原子核内部因素决定，与外部环境无关，即升高温度并不能使半衰期缩短，故C错误； 92为U元素的原子序数，也是质子数；由中子数与质子数之和等于质量数可得，中子数为235-92=143，故D正确。 考点二　反应堆与核电站 4.(2024·温州市统考)统计显示，一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比，每年可以减少二氧化碳排放600多万吨，可见核能是减排效应较大的能源之一。下列对于铀235相关的核反应的描述中，说法正确的是(　　) A.铀块的体积越小，越容易发生链式反应 B.发生链式反应的核反应方程为Kr+n C.在核反应堆中，中子的速度越快，铀核越容易发生核裂变 D.核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，主要是为了调节中子数量，控制反应速度 答案　D 解析　要使链式反应发生，铀块体积必须大于或等于其临界体积，故A错误；只有中子轰击铀核，才能发生裂变反应，其核反应方程为nKr+n，故B错误；在核反应堆中，中子的速度太快，会与铀235“擦肩而过”，导致中子无法被铀核捕获，铀核不能发生核裂变，故C错误；核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，可以吸收中子，主要是为了调节中子数量，控制反应速度，故D正确。 5.(多选)(2023·浙江省长兴中学月考)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.中子速度越快越容易发生链式反应 B.裂变后的新核的平均结合能大于铀核的平均结合能 C.正常运行的反应堆，水泥防护层能检测到大量α粒子 D.一个裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10-28 kg 答案　BD 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，故新核的平均结合能大于铀核的平均结合能，B正确；正常运行的核反应堆主要的辐射是γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层不能检测到大量α粒子，C错误；根据爱因斯坦质能方程可知，一个裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm=≈3.6×10-28 kg，D正确。 考点三　核聚变 6.(2023·绍兴市高二期末)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.任何两个原子核都可以发生聚变 答案　B 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； 要实现核聚变反应，必须使参加反应的轻核之间的距离达到10-15 m以内，需要数百万度高温，核聚变反应一旦实现，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过程，故C错误； 只有两个质量较小的轻核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，D错误。 7.(2023·金华市统考)我国全超导托卡马克核聚变装置(EAST)已成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，在该装置内发生的核反应方程是HHHe+X。若H的质量是m1，的质量是m2，的质量是m3，X的质量是m4，光速是c，下列说法正确的是(　　) A.只有氘H)和氚H)能发生核聚变，其他原子核不能 B.发生一次上述聚变反应所释放的核能为(m4+m3-m2-m1)c2 C.其中粒子X的符号是n D.核聚变反应发生后，需要外界不断给它提供能量才能将反应持续下去 答案　C 解析　理论上，原子序数小于铁的都可以发生核聚变，不一定是氘H)和氚H)，恒星演化后期会有氦聚变为碳进而聚变为氧的过程，所以A错误； 发生一次上述聚变反应所释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2，B错误； 由核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，粒子X的符号是n，C正确； 核聚变一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，D错误。 8.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是HHn。已知H的质量为2.013 6 u，的质量为3.015 0 u，的质量为1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　) A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 答案　B 解析　在核反应中，反应前物质的质量 m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u 反应后物质的质量 m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u 质量亏损Δm=m1-m2=0.003 5 u， 则氘核聚变释放的核能为 E=931.5×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，故选B。 9、10题每题7分，11题12分，共26分 9.(多选)(2024·温州市高二期末)2023年4月12日，中科院合肥物质科学研究院的可控核聚变装置全超导托卡马克(EAST)缔造了新的纪录，实现了高功率稳定的403 s稳态长脉冲高约束模等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。已知该装置内部发生的核反应方程为：HHen，已知H、、和n的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV，则下列说法中正确的是(　　) A.该反应属于轻核聚变 B.该反应中生成物的总质量大于反应物的总质量 C.该反应过程中释放的能量约为17.6 MeV D.该反应中生成物的结合能之和小于反应物的结合能之和 答案　AC 解析　该反应叫轻核聚变，也叫热核反应，故选项A正确； 该反应放出核能，有质量亏损，即反应物的质量大于生成物的质量，故选项B错误； 该反应过程中释放的能量为ΔE=Δmc2=［(2.014 1 u+3.016 1 u)-(4.002 6 u+1.008 7 u)］×931.5 MeV=17.6 MeV，故选项C正确； 轻核聚变过程，生成物的结合能之和大于反应物的结合能之和，故选项D错误。 10.(2024·台州市期末)山东海阳核电站建成并实现并网发电，有效缓解了山东电力不足的情况，为建设生态山东做出了贡献。核电站核反应堆中，用中子轰击原子核的核反应方程为n+X+n，、X的质量分别为m1、m2、m3、m4，其中是不稳定的，其半衰期为T，真空中的光速为c，以下说法正确的是(　　) A.X原子核中含有的中子数为50 B.该反应属于人工转变核反应 C.该反应中释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2 D.经过2T，一定质量的原子核衰变了的质量占开始时的 答案　D 解析　根据核反应方程中的质量数、电荷数守恒可写出该核反应方程为nX+n，可知X原子核中含有的中子数为53，故A错误；该核反应为重核裂变反应，故B错误；该核反应中释放的能量为ΔE=Δmc2=(m1-2m2-m3-m4)c2，故C错误；根据半衰期公式m余=m(可知，经过2T，则=()2=，所以一定质量的原子核衰变了的质量占开始时的，故D正确。 11.(12分)受中子轰击时会发生裂变，产生和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。 (1)(4分)写出核反应方程； (2)(8分)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1) 答案　(1)nKr +n (2)0.21 kg 解析　(1)核反应方程为 nKr +n (2)每一天的发电量为 E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J 消耗的铀235核的个数为 n==个=5.4×1023个 一天需要的纯铀235的质量为 m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。 12.(14分)(2023·丽水市期末)核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。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。 (1)(2分)试完成铀核裂变反应方程： n +n (2)(5分)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u，140.913 9 u，91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u=1.66×10-27 kg，c=3.0×108 m/s；(结果保留两位有效数字) (3)(7分)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。 答案　(1)n+n (2)3.2×10-11 J　(3)E0 解析　(1)根据电荷数守恒和质量数守恒可得： 核反应方程为nKr+n (2)核反应过程中的质量亏损为 Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×1.008 7) u=0.215 3 u 由爱因斯坦质能方程得一个铀核裂变放出的能量为ΔE=Δmc2=0.215 3×1.66×10-27×(3×108)2 J≈3.2×10-11 J (3)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' 根据弹性碰撞中能量守恒， 可得E0=m=mv2+Mv'2 解得v=v0 已知M=12m，可得v=-v0 则在碰撞过程中中子损失的能量为 ΔE=m-mv2=E0。 学科网（北京）股份有限公司 $ 4　核裂变与核聚变 DIWUZHANG 第五章 1 1.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(重点)。 2.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(重难点)。 3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 学习目标 2 一、核裂变的发现 二、反应堆与核电站 课时对点练 三、核聚变 内容索引 3 核裂变的发现 一 4 1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？ 答案　铀核的裂变。 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nKr+_____。 梳理与总结 中子 n 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。 5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以 能量。 链式 链式 最小 放出 1.如图所示为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ 答案　重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。 思考与讨论 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案　不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于或等于临界体积，才会发生链式反应。 2.总结维持链式反应的条件。 答案　(1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。 (2)有慢中子轰击。 (3)有足够浓度的铀235。 (2023·温州市期末)铀核()是核反应主要原料之一，其中一种核反应方程为nSr+10K。下列说法正确的是 A.该核反应是重核裂变反应，其中K是中子 B.该核反应产物的放射性可以通过人工手段去消除 C.该核反应产物的结合能之和等于核反应前反应物的结合能之和 D.核反应时释放能量，根据E=mc2，核反应后的总质量数减少 例1 √ 根据质量数守恒和电荷数守恒可得，K的质子数为0，质量数为1，则K是中子，故A正确； 放射性物质的半衰期非常稳定，不会随着外界环境改变而改变，因此不可以通过人工手段消除，故B错误； 由于该反应为放能反应，释放核能后结合能增大，因此该核反应产物的结合能之和大于核反应前反应物的结合能之和，故C错误； 核反应时释放能量，总质量减小，而总质量数保持不变，故D错误。 总结提升 1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，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，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变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。 若俘获一个中子裂变成Sr及两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u。 (1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出铀核裂变的核反应方程； 例2 答案　nSr+1n 根据核反应的质量数守恒与电荷数守恒有nSr+1n。 (2)求一个俘获一个中子发生上述裂变所释放的能量。(结果保留2位有效数字) 答案　1.4×102 MeV 该核反应的质量亏损为 Δm=(235.043 9+1.008 7) u-(89.907 7+135.907 2+10×1.008 7) u=0.150 7 u； 释放的能量为ΔE=Δm×931.5 MeV≈1.4×102 MeV。 返回 反应堆与核电站 二 16 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) 、 或普通水 (也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 _____ 吸收中子，控制反应速度 热交换器 或液态的_______ 传输热量 防护层 厚 层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是 ，它的主要组成部分： 反应堆 铀棒 石墨 重水 镉棒 水 金属钠 水泥 2.工作原理 (1)核燃料发生 释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：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， 。 核裂变 循环流动 热量 发电 水泥层 放射性 深埋地下 　(2023·浙江省十校联盟联考)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，中子速度减小变为慢中子。下列说法正确的是 A.“慢化剂”使快中子变慢中子，慢中子更难被铀核俘获，从而减缓反应 速度 B.裂变后的新核的比结合能小于铀核的比结合能 C.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反 应一代接一代继续下去的过程 D.当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒， 达到加快核反应速度的目的 例3 √ 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； 重核裂变的过程中有质量亏损，释放核能， 比结合能大的原子核更稳定，故新核的比结 合能大于铀核的比结合能，B错误； 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错误； 镉棒的作用是吸收中子以控制反应速度，当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒，达到加快核反应速度的目的，D正确。 返回 核聚变 三 21 1.定义：两个 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(举例)：HHen+17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到 m以内。 方法：需要加热到很高的 ，因此核聚变又叫热核反应。 4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的 能。 5.人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆 ，再由 爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 轻核 10-15 温度 聚变 核 原子弹 原子弹 6.核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能 ； ②地球上核聚变燃料氘储量 ，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要； ③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太 ，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 效率高 丰富 高 　 (2024·绍兴市高二期末)2023年8月25日，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。关于聚变反应H+ He+X，下列说法正确的是 A.X为质子 B.核聚变和核衰变均是可逆的 C.质量亏损相同时，聚变比裂变释放更多的能量 DH的比结合能小于He 例4 √ 根据质量数、电荷数守恒，X应为中子，故A错误； 核聚变和核衰变均是不可逆的，亏损相同的质量时，聚变和裂变释放的能量相同，故B、C错误； 聚变放出能量，反应生成物He比反应物H更稳定，所以H的比结合能小于He，故D正确。 返回 课时对点练 四 26 考点一　重核的裂变及链式反应 1.关于重核的裂变，以下说法正确的是 A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核 裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 基础对点练 √ 12 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(多选)2020年11月8日，我国核潜艇第一任总设计师、中国工程院院士彭士禄荣获第十三届光华工程科技成就奖。核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，其中一种核反应方程为n→XSr+n，下列说法正确的是 A.X有54个质子，78个中子 B.X的比结合能比铀核的小 C.裂变反应前后质量没有变化 D.该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据核反应遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X的质子数为54个，中子数为132-54=78个，故A正确； X是中等质量的核，比结合能比铀核的大且稳定，故B错误； 裂变释放核能，所以有质量亏损，故C错误； 该核反应属于链式反应，每次生成的n会使新铀核连续不断地发生裂变，故D正确。 12 3.(多选)(2023·台州市模拟)核电站的核能来源于核的裂变，下列说法中正确的是 A.反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理 B.的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如和Sr， 反应方程式为nSr+n C.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.原子核中有92个质子、143个中子 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故A错误； 发生核反应的过程满足电荷数守恒和质量数守恒，故裂变的反应方程式为nSr+n，故B正确； 半衰期由原子核内部因素决定，与外部环境无关，即升高温度并不能使半衰期缩短，故C错误； 92为U元素的原子序数，也是质子数；由中子数与质子数之和等于质量数可得，中子数为235-92=143，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点二　反应堆与核电站 4.(2024·温州市统考)统计显示，一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比，每年可以减少二氧化碳排放600多万吨，可见核能是减排效应较大的能源之一。下列对于铀235相关的核反应的描述中，说法正确的是 A.铀块的体积越小，越容易发生链式反应 B.发生链式反应的核反应方程为Kr+n C.在核反应堆中，中子的速度越快，铀核越容易发生核裂变 D.核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，主要是为了调节中子数量， 控制反应速度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 要使链式反应发生，铀块体积必须大于或等于其临界体积，故A错误； 只有中子轰击铀核，才能发生裂变反应，其核反应方程为nKr+n，故B错误； 在核反应堆中，中子的速度太快，会与铀235“擦肩而过”，导致中子无法被铀核捕获，铀核不能发生核裂变，故C错误； 核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，可以吸收中子，主要是为了调节中子数量，控制反应速度，故D正确。 12 5.(多选)(2023·浙江省长兴中学月考)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.中子速度越快越容易发生链式反应 B.裂变后的新核的平均结合能大于铀核的平 均结合能 C.正常运行的反应堆，水泥防护层能检测到 大量α粒子 D.一个裂变释放的能量是200 MeV，则 该核反应中质量亏损约为3.6×10-28 kg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 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，故新核的平 均结合能大于铀核的平均结合能，B正确； 正常运行的核反应堆主要的辐射是γ辐射 和中子辐射，所以水泥防护层不能检测到大量α粒子，C错误； 根据爱因斯坦质能方程可知，一个裂变释放的能量是200 MeV， 此过程中的质量亏损为Δm=≈3.6×10-28 kg，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点三　核聚变 6.(2023·绍兴市高二期末)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.任何两个原子核都可以发生聚变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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； 要实现核聚变反应，必须使参加反应的轻核之间的距离达到10-15 m以内，需要数百万度高温，核聚变反应一旦实现，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过程，故C错误； 只有两个质量较小的轻核才可以聚变成 一个中等质量的原子核，并不是任何两 个原子核都可以发生聚变，D错误。 12 7.(2023·金华市统考)我国全超导托卡马克核聚变装置(EAST)已成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，在该装置内发生的核反应方程是HHHe+X。若H的质量是m1，的质量是m2，的质量是m3，X的质量是m4，光速是c，下列说法正确的是 A.只有氘H)和氚H)能发生核聚变，其他 原子核不能 B.发生一次上述聚变反应所释放的核能为 (m4+m3-m2-m1)c2 C.其中粒子X的符号是n D.核聚变反应发生后，需要外界不断给它提供能量才能将反应持续下去 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 理论上，原子序数小于铁的都可以发生核 聚变，不一定是氘H)和氚H)，恒星演 化后期会有氦聚变为碳进而聚变为氧的过 程，所以A错误； 发生一次上述聚变反应所释放的核能为ΔE =(m1+m2-m3-m4)c2，B错误； 由核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，粒子X的符号是n，C正确； 核聚变一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是HHn。已知H的质量为2.013 6 u，的质量为3.015 0 u，的质量为1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为 A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 在核反应中，反应前物质的质量 m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u 反应后物质的质量 m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u 质量亏损Δm=m1-m2=0.003 5 u， 则氘核聚变释放的核能为 E=931.5×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，故选B。 12 9.(多选)(2024·温州市高二期末)2023年4月12日，中科院合肥物质科学研究院的可控核聚变装置全超导托卡马克(EAST)缔造了新的纪录，实现了高功率稳定的403 s稳态长脉冲高约束模等离子 体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。已 知该装置内部发生的核反应方程为：H Hen，已知H、、和n的质量分 别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u， 1 u相当于931.5 MeV，则下列说法中正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 能力综合练 A.该反应属于轻核聚变 B.该反应中生成物的总质量大于反应物的 总质量 C.该反应过程中释放的能量约为17.6 MeV D.该反应中生成物的结合能之和小于反应 物的结合能之和 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 该反应叫轻核聚变，也叫热核反应，故选项A正确； 该反应放出核能，有质量亏损，即反应物的 质量大于生成物的质量，故选项B错误； 该反应过程中释放的能量为 ΔE=Δmc2=[(2.014 1 u+3.016 1 u)-(4.002 6 u+ 1.008 7 u)]×931.5 MeV=17.6 MeV，故选项 C正确； 轻核聚变过程，生成物的结合能之和大于反应物的结合能之和，故选项D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10.(2024·台州市期末)山东海阳核电站建成并实现并网发电，有效缓解了山东电力不足的情况，为建设生态山东做出了贡献。核电站核反应堆中，用中子轰击原子核的核反应方程为n+X+n， 、X的质量分别为m1、m2、m3、m4，其中是不稳定的，其半衰期为T，真空中的光速为c，以下说法正确的是 A.X原子核中含有的中子数为50 B.该反应属于人工转变核反应 C.该反应中释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2 D.经过2T，一定质量的原子核衰变了的质量占开始时的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据核反应方程中的质量数、电荷数守恒可写出该核反应方程为nX+n，可知X原子核中含有的中子数为53，故A错误； 该核反应为重核裂变反应，故B错误； 该核反应中释放的能量为ΔE=Δmc2=(m1-2m2-m3-m4)c2，故C错误； 根据半衰期公式m余=m(可知，经过2T，则=()2=，所以一定质量的原子核衰变了的质量占开始时的，故D正确。 12 核反应方程为 nKr +n 答案　nKr +n 11.受中子轰击时会发生裂变，产生和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。 (1)写出核反应方程； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 每一天的发电量为 E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J 消耗的铀235核的个数为 n==个=5.4×1023个 一天需要的纯铀235的质量为 m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。 答案　0.21 kg (2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(2023·丽水市期末)核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。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。 (1)试完成铀核裂变反应方程：n +n 答案　n+n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 尖子生选练 12 根据电荷数守恒和质量数守恒可得： 核反应方程为nKr+n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u，140.913 9 u，91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u=1.66×10-27 kg，c=3.0×108 m/s；(结果保留两位有效数字) 答案　3.2×10-11 J 核反应过程中的质量亏损为 Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×1.008 7) u=0.215 3 u 由爱因斯坦质能方程得一个铀核裂变放出的能量为ΔE=Δmc2=0.215 3 ×1.66×10-27×(3×108)2 J≈3.2×10-11 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (3)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。 答案　E0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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' 根据弹性碰撞中能量守恒， 可得E0=m=mv2+Mv'2 解得v=v0 已知M=12m，可得v=-v0 则在碰撞过程中中子损失的能量为ΔE=m-mv2=E0。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 返回 12 $