資源簡介

4　核裂變與核聚變
[學習目標]　
1.知道什么是核裂變、核聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和核聚變的條件(重點)。
2.會書寫核裂變和核聚變方程，會利用質量虧損計算核裂變和核聚變產生的核能(重難點)。
3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
一、核裂變的發現
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。巨大的核能是從哪里來的？
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1．核裂變：鈾核在被______轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊，這類核反應定名為核裂變。
2．鈾核裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是U＋ n→Ba＋Kr＋________。
3．鏈式反應
中子轟擊重核發生裂變后，裂變釋放的中子繼續與其他重核發生反應，引起新的核裂變，使核裂變反應____________繼續下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈式反應。
4．臨界體積和臨界質量：核裂變物質能夠發生________反應的________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：重核裂變為中等質量的原子核、發生質量虧損，所以________能量。
如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于________標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
1．如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
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(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
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2．總結維持鏈式反應的條件。
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例1　2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機組首次并網成功，標志著我國正式進入核電技術先進國家行列。“華龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為U＋n→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　)
A．裂變后粒子的總核子數減少
B．X原子核中含有85個中子
C．裂變反應前后質量沒有變化
D．裂變后新核的平均結合能比鈾核的小
1．重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2．重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能比中等質量的核的平均結合能小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。
例2　鈾核裂變的許多核反應中的其中一個是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(1)試計算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量(U、Ba、Kr、n的質量分別為235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相當于931.5 MeV能量，阿伏加德羅常數NA＝6.02×
1023 mol－1)；
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(2)1 kg鈾235原子核發生上述裂變時能放出多少核能？這相當于完全燃燒多少煤釋放的能量？(煤的熱值為2.94×107 J/kg)
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二、反應堆與核電站
1．核電站：利用核能發電，它的核心設施是__________，它的主要組成部分：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) ______(濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑(慢化劑) ______、______或普通水(也叫輕水) 使裂變產生的快中子減速
控制棒 ______ 吸收中子，控制反應速度
熱交換器 ____或液態的____ 傳輸熱量
防護層 厚______層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
2.工作原理
(1)核燃料發生________釋放能量，使反應區溫度升高。
(2)能量輸出：水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外__________，把反應堆內的________傳輸出去，用于________，同時也使反應堆冷卻。
3．核污染的處理
在反應堆的外面需要修建很厚的________，用來屏蔽裂變產物放出的各種射線。核廢料具有很強的________，需要裝入特制的容器，________。
4．核電站發電的優點
(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染比火力發電小。
例3　如圖為普通核反應堆的結構示意圖，通過鈾235鏈式反應實現核能的可控釋放。下列關于核反應堆工作中的說法正確的是(　　)
A．正常運行的反應堆，水泥防護層外能檢測到大量α粒子
B．中子速度越快越容易發生鏈式反應
C．通過改變鎘棒的插入深度來控制反應速度
D．鈾核裂變時釋放能量的多少與生成物種類無關
三、核聚變
1．定義：兩個______結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。
2．核反應方程(舉例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．條件：使輕核的距離達到______ m以內。
方法：需要加熱到很高的______，因此核聚變又叫熱核反應。
4．宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內部的氫核______成氦核釋放的______能。
5．人工熱核反應的應用——氫彈
原理：首先由化學炸藥引爆__________，再由__________爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
6．核聚變與核裂變的比較
(1)優點：①輕核聚變產能__________；②地球上核聚變燃料氘儲量______，而氚可利用鋰來制取，足以滿足核聚變的需要；③輕核聚變更為安全、清潔。
(2)缺點：核聚變需要的溫度太______，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。
科學家提出的解決方案：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________。
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，用高能量密度的______或X射線從各個方向照射參加反應物質，使它們“擠”在一起發生反應。
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
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例4　2021年5月28日，在中科院合肥物質科學研究院，有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步。下列關于聚變的說法正確的是(　　)
A．任何兩個原子核都可以發生聚變
B．兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小
C．兩個輕核結合成質量較大的核，核子的平均結合能減小
D．核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
例5　兩個氘核結合成一個氦核，已知氘核質量為2.014 u，氦核質量為4.002 u。
(1)寫出相應的核反應方程；
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(2)求出1 kg氘完全結合成氦時可以釋放出的能量。已知：阿伏加德羅常數NA為6.0×1023 mol－1，氘核的摩爾質量為2 g/mol，1 u相當于931.5 MeV的能量(結果保留兩位有效數字)。
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4　核裂變與核聚變
[學習目標]　1.知道什么是核裂變、核聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和核聚變的條件(重點)。2.會書寫核裂變和核聚變方程，會利用質量虧損計算核裂變和核聚變產生的核能(重難點)。
3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
一、核裂變的發現
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。巨大的核能是從哪里來的？
答案　鈾核的裂變。
1．核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊，這類核反應定名為核裂變。
2．鈾核裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是U＋ n→Ba＋Kr＋3n。
3．鏈式反應
中子轟擊重核發生裂變后，裂變釋放的中子繼續與其他重核發生反應，引起新的核裂變，使核裂變反應一代接一代繼續下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈式反應。
4．臨界體積和臨界質量：核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：重核裂變為中等質量的原子核、發生質量虧損，所以放出能量。
如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800 t標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
1．如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
答案　(1)重核裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積，才會發生鏈式反應。
2．總結維持鏈式反應的條件。
答案　(1)鈾塊的體積大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量。
(2)有慢中子轟擊。
(3)有足夠濃度的鈾235。
例1　2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機組首次并網成功，標志著我國正式進入核電技術先進國家行列。“華龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為U＋n→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　)
A．裂變后粒子的總核子數減少
B．X原子核中含有85個中子
C．裂變反應前后質量沒有變化
D．裂變后新核的平均結合能比鈾核的小
答案　B
解析　核反應過程中，質量數守恒，所以裂變后粒子的總核子數不變，A錯誤；設X原子核中有x個質子，質量數為y，則92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子數為y－x＝85，B正確；裂變釋放核能，所以有質量虧損，C錯誤；裂變釋放核能是因為新核的平均結合能比鈾核的大，D錯誤。
1．重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2．重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能比中等質量的核的平均結合能小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。
例2　鈾核裂變的許多核反應中的其中一個是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(1)試計算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量(U、Ba、Kr、n的質量分別為235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相當于931.5 MeV能量，阿伏加德羅常數NA＝6.02×
1023 mol－1)；
(2)1 kg鈾235原子核發生上述裂變時能放出多少核能？這相當于完全燃燒多少煤釋放的能量？(煤的熱值為2.94×107 J/kg)
答案　(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026 MeV　2 797.3 t
解析　(1)裂變反應的質量虧損為
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u。
一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
(2)1 kg鈾235原子核中含原子核的個數為
N＝×6.02×1023個≈2.56×1024個，
1 kg鈾235原子核發生裂變時釋放的總能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV。
設相當于完全燃燒的煤的質量為m，
有ΔEN＝qm，
所以m＝＝ kg≈2797.3 t。
二、反應堆與核電站
1．核電站：利用核能發電，它的核心設施是反應堆，它的主要組成部分：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) 鈾棒(濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑(慢化劑) 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 使裂變產生的快中子減速
控制棒 鎘棒 吸收中子，控制反應速度
熱交換器 水或液態的金屬鈉 傳輸熱量
防護層 厚水泥層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
2.工作原理
(1)核燃料發生核裂變釋放能量，使反應區溫度升高。
(2)能量輸出：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。
3．核污染的處理
在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產物放出的各種射線。核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。
4．核電站發電的優點
(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染比火力發電小。
例3　如圖為普通核反應堆的結構示意圖，通過鈾235鏈式反應實現核能的可控釋放。下列關于核反應堆工作中的說法正確的是(　　)
A．正常運行的反應堆，水泥防護層外能檢測到大量α粒子
B．中子速度越快越容易發生鏈式反應
C．通過改變鎘棒的插入深度來控制反應速度
D．鈾核裂變時釋放能量的多少與生成物種類無關
答案　C
解析　正常運行的核反應堆主要的輻射有γ輻射和中子輻射，所以水泥防護層外不可能檢測到大量α粒子，故A錯誤；中子速度越快越不容易使鏈式反應發生，故B錯誤；利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，通過改變鎘棒的插入深度，從而改變中子的數量來控制反應速度，故C正確；核裂變釋放的能量與反應前后質量虧損有關，鈾核裂變時會因生成物種類不同導致質量虧損不同，釋放能量不同，故D錯誤。
三、核聚變
1．定義：兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。
2．核反應方程(舉例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．條件：使輕核的距離達到10－15 m以內。
方法：需要加熱到很高的溫度，因此核聚變又叫熱核反應。
4．宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內部的氫核聚變成氦核釋放的核能。
5．人工熱核反應的應用——氫彈
原理：首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
6．核聚變與核裂變的比較
(1)優點：①輕核聚變產能效率高；②地球上核聚變燃料氘儲量豐富，而氚可利用鋰來制取，足以滿足核聚變的需要；③輕核聚變更為安全、清潔。
(2)缺點：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。
科學家提出的解決方案：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，用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射參加反應物質，使它們“擠”在一起發生反應。
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
答案　輕核的聚變反應，是兩個輕核結合成質量較大的核，要使得核力發揮作用，必須使核子間的距離達到10－15 m以內；同時由于在此距離時原子核之間的庫侖斥力巨大，因而需要核子有很大的動能才能克服，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
例4　2021年5月28日，在中科院合肥物質科學研究院，有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步。下列關于聚變的說法正確的是(　　)
A．任何兩個原子核都可以發生聚變
B．兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小
C．兩個輕核結合成質量較大的核，核子的平均結合能減小
D．核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
答案　B
解析　只有兩個質量較小的原子核才可以聚變成一個中等質量的原子核，并不是任何兩個原子核都可以發生聚變，A錯誤；核聚變反應會放出大量的能量，根據質能方程可知反應會發生質量虧損，兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小，平均結合能增大，B正確，C錯誤；核聚變的最終產物是氦，無污染，而核裂變產生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯誤。
例5　兩個氘核結合成一個氦核，已知氘核質量為2.014 u，氦核質量為4.002 u。
(1)寫出相應的核反應方程；
(2)求出1 kg氘完全結合成氦時可以釋放出的能量。已知：阿伏加德羅常數NA為6.0×1023 mol－1，氘核的摩爾質量為2 g/mol,1 u相當于931.5 MeV的能量(結果保留兩位有效數字)。
答案　(1)H＋H→He　(2)3.6×1027 MeV
解析　(1)核聚變反應的方程為H＋H→He
(2)兩個氘核結合成一個氦核時釋放的能量為
ΔE＝(2×2.014 u－4.002 u)×931.5 MeV≈24.22 MeV
1 kg氘中含有的氘核數為
n＝×NA＝×6.0×1023個＝3.0×1026個
1 kg氘完全結合成氦時可以釋放出的能量為
E＝ΔE＝1.5×1026×24.22 MeV≈3.6×1027 MeV。

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