資源簡介

5.4 核裂變與核聚變
學習目標
1、知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量。
2、知道什么是鏈式反應。
3、了解核聚變的特點及其條件。
4、了解可控熱核反應及其研究和發展。
重點難點
1、重核裂變的核反應方程式的書寫。（重點）
2、核聚變的特點和條件。（難點）
自主探究
一、核裂變及鏈式反應
1、核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊的核反應。
2、鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多樣的，其中一種典型的裂變是。
3、鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程叫核裂變的鏈式反應。
4、臨界體積和臨界質量：把裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作臨界質量。
5、核裂變的能量：1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
二、核電站
1、核電站：利用核能發電，它的核心設施是反應堆，它主要由以下幾部分組成：
（1）燃料：鈾棒。
（2）慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發生反應，采用石墨、重水或普通水作慢化劑。
（3）控制棒：為了調節中子數目以控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。
2、工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應區溫度升高。
3、能量輸出：利用水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電。同時也使反應堆冷卻。
4、核污染的處理：為避免射線對人體的傷害和放射性物質對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染，在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應放出的各種射線，核反應堆中的核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。
三、核聚變
1、定義：兩個輕核結合成質量較大的核，并釋放出能量的反應。
2、舉例：
3、條件：要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到10-15 m以內，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達幾百萬開爾文，因此聚變又叫熱核反應。
4、應用：目前，人工產生的熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈，需要用原子彈爆炸產生的高溫高壓引發核爆炸。
5、太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.6×107 K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部聚變釋放的核能。
四、受控熱核反應
1、聚變的優點：第一：輕核聚變產能效率高。第二：地球上聚變燃料的儲量豐富。第三：輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應，而且生成的廢物數量少、易處理。
2、聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。
3、控制方法：
（1）磁約束：利用磁場約束參加反應的物質，目前最好的一種磁約束裝置是環流器。
（2）慣性約束：聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用激光從各個方向照射反應物，使它們“擠”在一起發生反應。
探究思考
一、對重核裂變和鏈式反應的分析
1、鈾核的裂變和裂變方程：
(1)核子受激發：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發狀態的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀。
(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能。
(3)常見的裂變方程：
①。
②。
2、鏈式反應的條件：
(1)由慢中子轟擊。
(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質量大于臨界質量。
以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足。
3、裂變反應的能量：鈾核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2 800 t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產生幾百萬度的高溫。
4、鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發生鏈式反應：
在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發生裂變，但它們和中子發生作用的情況不同。
(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會發生裂變，且俘獲低能量的中子發生裂變的概率大。
(2)鈾238：只有俘獲能量大于1 MeV的中子才能發生裂變，且裂變的幾率小。能量低于1 MeV的中子只與鈾核發生彈性碰撞，不引起裂變。因此，為了使鏈式反應容易發生，最好利用純鈾235。
【典例一】1、鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應式是.下列說法正確的有( )
A.上述裂變反應中伴隨著中子放出 B.鈾塊體積對鏈式反應的發生無影響
C.鈾核的鏈式反應可人工控制 D.鈾核的半衰期會受到環境溫度的影響
解題思路：核裂變反應是重核被中子轟擊后分裂成中等質量的原子核并放出若干個中子的反應，A選項正確；鈾塊要發生鏈式反應需達到一定的體積，B選項錯誤；鏈式反應可人工控制用以建立核電站，C選項正確；原子核的半衰期是由原子核本身的性質決定，與其所處的環境或狀態無關，D選項錯誤
答案：AC
二、核電站的結構及工作原理
1、核電站的主要組成：核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：
部件　　 名稱項目 慢化劑 控制棒 熱循環介質 保護層
采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態鈉 很厚的水泥外殼
作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應速度 把反應堆內的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染
2、反應堆工作原理：
(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖為簡化的核反應堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的吸收，發生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。
(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度。
(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發電機發電。
發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。
3、核電站發電的優點：
(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染要比火力發電小。
【典例二】2、關于核反應堆中用鎘棒控制反應速度的原理，下列說法正確的是( )
A.鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應速度
B.用鎘棒插入的多少控制快中子變為慢中子的數量
C.利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數量
D.鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應速度
解題思路：鎘棒并不能釋放中子，也不能使中子減速，對鈾核裂變也沒有阻礙作用，鎘棒是利用其對中子的吸收能力強的特點，控制中子的數量從而控制核反應速度，故選項C正確
答案： C
三、核聚變的特點及應用
1、聚變發生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發生作用的距離10-15 m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能，有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫。
2、輕核聚變是放能反應：從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。
3、核聚變的特點：
(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。
(2)熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。
(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。
4、核聚變的應用：
(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核聚變爆炸。
(2)可控熱核反應：目前處于探索階段。
5、重核裂變與輕核聚變的區別：
重核裂變 輕核聚變
放能原理 重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能 兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能
放能多少 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍
核廢料處理難度 聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多
原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地球上儲量有限 主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富
可控性 速度比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能 目前，除氫彈以外，人們還不能控制它
隨堂訓練
1、下列核反應方程中，屬于裂變的是( )
A. B.
C. D.
答案：D
2、在下列核反應方程中，表示核聚變過程的是( )
A. B.
C. D.
答案：D
3、鈾核裂變的產物是多樣的，一種典型的鈾核裂變方程是，已知鈾核的質量為，中子的質量為，鍶()核的質量為，氙()核的質量為，的質量虧損釋放的能量.則下列說法正確的是 ( )
A.的比結合能比的比結合能小
B.—個原子核按裂變方程進行裂變釋放的核能約為
C.重核裂變和輕核聚變相比，后者產能效率高，因此輕核聚變被廣泛地應用于生產生活實際中
D.的半衰期是年，經過年，個的原子核，只剩下個
答案：AB
4、由中科院等離子體物理研究所設計制造的EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置試用已經成功，標志著我國站在了世界核聚變研究的前端。設可控熱核反應前氘核（）的質量為，氚核（）的質量為，反應后氦核（）的質量為，中子（）的質量為，已知真空中的光速為c。下列說法中正確的是( )
A.核反應放出的能量為
B.上述核反應過程中原子核的比結合能增加
C.這種熱核反應釋放出氦核，是衰變
D.這種裝置的核反應原理與我國大亞灣核電站所使用核裝置的原理相同
答案：AB
2

展開更多......

收起↑