資源簡介

5.4核裂變與核聚變
【學(xué)習(xí)目標】(2min)
1.知道核裂變、鏈式反應(yīng)的概念，會計算核裂變釋放的核能．
2．了解核反應(yīng)堆的工作原理，知道核電站的工作流程．
3．知道核聚變的概念、條件及受控?zé)岷朔磻?yīng)的控制方案，會計算核聚變釋放的核能．
4．了解新粒子的發(fā)現(xiàn)和粒子的分類.
【任務(wù)1】 課前預(yù)習(xí)（10min）
知識點一　核裂變的發(fā)現(xiàn)
1．核裂變：重核被 轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反應(yīng)。
2．鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多樣的，其中一種典型的鈾核裂變是U＋n―→Ba＋Kr＋ 。
3．鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng) 繼續(xù)下去的過程叫核裂變的鏈式反應(yīng)。
4．臨界體積和臨界質(zhì)量：把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最 體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。
5．核裂變的能量：1 kg鈾235全部發(fā)生核裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學(xué)能。
知識點二　反應(yīng)堆與核電站
1．核反應(yīng)堆：控制鏈式反應(yīng)的核心設(shè)施是 ，它主要由以下幾部分組成：
(1)燃料： 。
(2)慢化劑：鈾235容易捕獲 發(fā)生反應(yīng)，采用 做慢化劑。
(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些 。鎘的
能力很強，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入 一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度會慢一些，這種鎘棒叫做控制棒。
2．核電站——利用核能發(fā)電的裝置
(1)工作原理： 釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。
(2)能量輸出：利用 等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的 傳輸出去，用于發(fā)電。同時也使反應(yīng)堆冷卻。
(3)核污染的處理：為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的 ，用來屏蔽 放出的各種射線，核廢料具有很強的 ，需要裝入特制的容器，深埋地下。
知識點三　核聚變
1．核聚變(1)定義：兩個輕核結(jié)合成 的核，并釋放出 的反應(yīng)。
(2)舉例：H＋H―→ ＋n＋17.6 MeV。
(3)條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達到 以內(nèi)，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 ，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 開爾文，因此聚變又叫 。
(4)應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是 ，需要用 爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。
(5)太陽能：太陽的主要成分是 ，太陽中心溫度可達1.5×107 K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進行著，太陽能就來自于太陽內(nèi)部 釋放的核能。
2．受控?zé)岷朔磻?yīng)
(1)聚變的優(yōu)點：第一：輕核聚變產(chǎn)能效率高。第二：地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富。第三：輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應(yīng)，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。
(2)聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。
(3)控制方法①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是 。
②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時間內(nèi)來不及擴散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用 從各個方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
【任務(wù)2】 探究一、核裂變和鏈式反應(yīng)(5min)
如圖所示為核裂變示意圖．試問：
只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)嗎？
[例1]　 (多選)關(guān)于鈾核裂變，下述說法正確的是(　　)
A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的原子核
B．鈾核裂變的同時將釋放2～3個中子
C．為了使裂變的鏈式反應(yīng)更容易進行，最好用鈾235
D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應(yīng)無影響
【任務(wù)3】 探究二、核電站的構(gòu)造及工作原理(5min)
如圖所示是慢中子反應(yīng)堆的示意圖．如何控制裂變反應(yīng)的反應(yīng)速度？
[例2] 秦山核電站第三期工程中有兩個6×105 kW發(fā)電機組已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電．發(fā)電站的核能來源于U的裂變，下列說法正確的是( )
A．反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)U的體積來控制的
B.U的一種可能裂變?yōu)閁＋n→Xe＋Sr＋2n
C.U是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會縮短
D．雖然核電站能提供很大的能量，但它對環(huán)境的污染比火電站嚴重
【任務(wù)3】 探究三、核聚變的特點及應(yīng)用(5min)
據(jù)報道，中科院離子物理所經(jīng)過八年的艱苦奮斗，終于率先建成了世界上第一個全超導(dǎo)的托克馬克試驗裝置并調(diào)試成功．這種裝置被稱為“人造太陽”(如圖所示)，它能夠承受上億攝氏度高溫且能夠控制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，就像太陽一樣為人類提供無限清潔的能源．
為什么實現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
達標檢測(10min)
[1] (多選)關(guān)于重核裂變的說法正確的是(　　)
A．重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個中等質(zhì)量核的中子數(shù)多
B．只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈式反應(yīng)
C．為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，不能利用裂變時產(chǎn)生的中子
D．裂變過程中釋放能量，質(zhì)量虧損
[2] 如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法正確的是(　　)
A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)
B．快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)
C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些
D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些
[3] （多選）下列說法正確的是(　　)
A．H＋H→He＋n是聚變 B．U＋n→Xe＋Sr＋2n是裂變
C．Ra→Rn＋He是α衰變 D．Na→Mg＋e是裂變
[4] (多選)我國核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)于聚變的說法正確的是(　　)
A．核聚變比核裂變更為安全、清潔
B．任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變
C．兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加
D．兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加
答案
課前預(yù)習(xí)
知識點一　核裂變的發(fā)現(xiàn)
1．中子 2． U＋n―→Ba＋Kr＋3n 3．一代接一代 4．小
知識點二　反應(yīng)堆與核電站
1．核反應(yīng)堆 (1)鈾棒 (2) 慢中子 石墨、重水或普通水 (3) 鎘棒 吸收中子 深
2．核電站——利用核能發(fā)電的裝置
(1)核燃料裂 (2) 水或液態(tài)的金屬鈉 熱量 (3)水泥層、裂變反應(yīng)、放射性
知識點三　核聚變
1．質(zhì)量較大 能量 (2)舉例：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。(3) 10－15、庫侖斥力、幾百萬、熱核反應(yīng)
(4)氫彈、原子彈 (5) 氫 聚變 (3)環(huán)流器、激光
探究一 提示：有中子轟擊鈾塊，且鈾塊的體積大于臨界體積，才可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)．
[例1]　答案：BC
探究二．提示：通過控制鎘棒插入深淺程度來控制裂變反應(yīng)的反應(yīng)速度．
[例2] 答案：B
探究三提示：原子核都帶正電，有巨大的庫侖斥力，加熱到幾百萬開爾文時，有足夠的動能來克服這種斥力，使核力發(fā)生作用，發(fā)生核聚變．
達標檢測
[1] 答案　AD
解析　重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，會產(chǎn)生兩到三個中子，因而分裂后的中子數(shù)減小，選項A正確；鏈式反應(yīng)的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈式反應(yīng)的臨界體積，鏈式反應(yīng)一旦發(fā)生，中子轟擊鈾核裂變產(chǎn)生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續(xù)下去，選項B、C錯誤；重核裂變時質(zhì)量發(fā)生虧損，總能量減小，減小的能量對外釋放，選項D正確。
[2] 答案　B
解析　快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，選項C、D都錯誤。
[3] 答案　ABC
解析　A選項中兩個質(zhì)量較輕的核結(jié)合成了一個質(zhì)量較重的核，是聚變反應(yīng)，故選項A正確；B選項中的核反應(yīng)是鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(或更多)中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子，是裂變反應(yīng)，故選項B正確；在C選項的核反應(yīng)中沒有中子的轟擊自發(fā)地放出了α粒子，是α衰變，選項C正確；而D選項應(yīng)是β衰變，選項D不正確。
[4] 答案　AD
解析　核聚變的最終產(chǎn)物是氦氣無污染，而核裂變會產(chǎn)生固體核廢料，因此核聚變更加清潔和安全，A正確；發(fā)生核聚變需要在高溫高壓下進行，重核不能發(fā)生核聚變，故B錯誤；核聚變反應(yīng)會放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知反應(yīng)會發(fā)生質(zhì)量虧損，故C錯誤；因聚變反應(yīng)放出能量，因此反應(yīng)前的比結(jié)合能小于反應(yīng)后的比結(jié)合能，故D正確。

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