資源簡介

第5節　裂變和聚變
(分值：100分)
選擇題1～12題，每小題7分，共84分。
對點題組練
題組一　核裂變與鏈式反應
1.第一代核彈頭為原子彈，主要利用鈾235或钚239等重原子核的裂變鏈式反應原理制成。典型的鈾核裂變是生成鋇和氪，同時放出x個中子，核反應方程為U＋n→Ba＋Kr＋xn, 則該核反應方程中x和y分別為(　　)
10和36 3和36
36和3 2和36
2.核工廠將核原料(六氟化鈉)提煉成核反應材料(二氟化鈾)時出現操作失誤，工作人員在一個加工爐中投入16 kg的核原料，大大超過了規定標準，從而造成了核泄漏，這個標準是(　　)
臨界體積
臨界壓強
臨界溫度
由一定的溫度、體積和壓強共同確定
3.(多選)原子裂變能夠產生巨大的能量，鈾原子裂變的鏈式反應方程為U＋n→Ba＋Kr＋3n，其中鈾的質量為m1，中子質量為m2，鋇和氪的質量分別為m3和m4，關于該裂變反應說法正確的是(　　)
鏈式反應能否發生跟鈾原料的體積有關
裂變產物鋇比鈾的比結合能大
該方程虧損質量為(m1＋m2)－(m3＋m4＋m2)
虧損的質量變成能量釋放出去
題組二　核聚變及受控核反應
4.(2024·廣東潮州高二期末)“嫦娥五號”返回器于2020年12月帶回1 731克月球土壤，月球土壤富含的He是理想的熱核反應原料，其核反應方程為2He→He＋2X，則(　　)
該核反應可在常溫下發生
該核反應類型為重核裂變
X為中子
該核反應前后質量數守恒
5.大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發電。氘核聚變反應方程是：H＋H→He＋n。已知H的質量為2.013 6 u，He的質量為3.015 0 u，n的質量為1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2。氘核聚變反應中釋放的核能約為(　　)
3.7 MeV 3.3 MeV
2.7 MeV 0.93 MeV
6.(多選)(2024·廣東汕頭高二月考)月球儲藏大量可控核聚變理想燃料氦3(He)，2020年12月1日，我國嫦娥五號探測器成功著陸月面后開始“挖土”并成功帶回地面供科學研究。核聚變反應方程為H＋H→He＋X或H＋He→He＋Y。下列說法正確的是(　　)
X是中子
Y是正電子
核聚變過程發生質量虧損，釋放核能
He比He的原子核更穩定
題組三　核能利用
7.2020年11月27日，“華龍一號”發電機組首次并網成功，其內核是如圖所示的核反應堆，關于核反應下列說法中正確的是(　　)
圖示裝置的核反應類型是核聚變
要使核反應速度減慢，可以將鈾棒插入得更深
裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量不守恒
石墨起到降低反應溫度的作用
8.(多選)關于核反應堆，下列說法正確的是(　　)
鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能
鎘棒的作用是控制反應堆的功率
石墨的作用是吸收中子
冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能
綜合提升練
9.2019年4月23日，海軍建軍70周年閱兵式上，中國海軍新型攻擊核潛艇093改進型攻擊核潛艇公開亮相，核潛艇是以核反應堆作動力源。關于核反應，下列說法正確的是(　　)
核反應方程C→N＋e屬于β衰變，而β射線來自原子外層的電子
核反應方程H＋H→He＋n屬于聚變，是核潛艇的動力原理
核反應方程U＋n→Ba＋Kr＋3n屬于裂變，是原子彈裂變反應原理
核反應前后核子數相等，所以生成物的質量等于反應物的質量之和
10.(多選)(2024·廣東珠海高二期末)鈾核裂變的一種方程為U＋X→Sr＋Xe＋3n，已知原子核的比結合能與質量數的關系如圖所示，下列說法中正確的有(　　)
X粒子是中子
X粒子是質子
U、Sr、Xe相比，Sr的比結合能最大，最穩定
U、Sr、Xe相比，U的質量數最多，結合能最大，最穩定
11.(多選)“東方超環”是我國自主設計建造的世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。2018年11月，有“人造太陽”之稱的東方超環實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。已知“人造太陽”核聚變的反應方程為H＋H→He＋X＋17.6 MeV，關于此核聚變，以下說法正確的是(　　)
要使輕核發生聚變，就要利用粒子加速器，使輕核獲得很大的動能
Z＝0，A＝1
1 mol氘核和1 mol氚核發生核聚變，可以放出17.6 MeV的能量
聚變比裂變更安全、清潔
12.日本福島核事故是世界上最大的核事故之一，2019年2月13日，日本宣布福島核電站核殘渣首次被“觸及”，其中部分殘留的放射性物質半衰期可長達1 570萬年，下列有關說法正確的是(　　)
U裂變成Pb的核反應方程為U→Pb＋7He＋4e
U的比結合能大于Pb的比結合能
天然放射現象中產生的α射線的速度與光速相當，穿透能力很強
將由放射性元素組成的化合物進行高溫分解，不會改變放射性元素的半衰期
培優加強練
13.(16分)U受中子轟擊時會發生裂變，產生Ba和Kr，同時放出200兆電子伏特的能量。現要建設日發電能力為10萬千瓦的核電站，用鈾235作為燃料。假設核裂變釋放的能量的50%轉化為電能。
(1)(8分)寫出核反應方程；
(2)(8分)求一天需要純鈾235的質量(阿伏伽德羅常量NA＝6.02×1023 mol－1)。
第5節　裂變和聚變
1.B　[根據核反應中質量數守恒，有235＋1＝144＋89＋x，解得x＝3；再根據電荷數守恒，有92＋0＝56＋y＋0，解得y＝36，B項正確，A、C、D錯誤。]
2.A　[臨界體積是核反應技術中的重要參數。如果核原料(六氟化鈉)投入太多，提煉成核反應材料(二氟化鈾)，就會超過臨界體積，則可產生持續的鈾核反應，從而造成了核泄漏，A正確；當鈾塊達不到其臨界體積時，一般情況下，即便壓強和溫度達到一定值時，也不會產生核反應，不會產生核泄漏，B、C、D錯誤。]
3.AB　[該反應為核裂變反應，鏈式反應能否發生跟鈾原料的體積有關，故A正確；重核裂變的生成物原子核更穩定，比結合能更大，則裂變產物鋇比鈾的比結合能大，故B正確；核反應過程中，質量虧損為Δm＝(m1＋m2)－(m3＋m4＋3m2)，故C錯誤；在裂變反應中虧損的質量以能量的形式釋放出來，不是虧損的質量變成了能量，故D錯誤。]
4.D　[熱核反應指的是輕核聚變，需要很高的溫度才能發生，故A、B錯誤；由電荷數守恒和質量數守恒，可推出X的電荷數為1，質量數為1，則X為質子，故C錯誤，D正確。]
5.B　[在核反應中，反應前物質的質量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，反應后物質的質量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，質量虧損Δm＝m1－m2＝0.003 5 u，則氘核聚變釋放的核能為E＝931×0.003 5 MeV＝3.3 MeV，故B正確。]
6.AC　[根據核反應的質量數守恒和電荷數守恒可知，X的質量數為1，電荷數為0，則X為中子；Y的質量數為1，電荷數為1，則Y為質子，A正確，B錯誤；核聚變過程發生質量虧損，釋放核能，C正確；因反應放出核能，則He比He的原子核更穩定，D錯誤。]
7.C　[圖示裝置的核反應類型是核裂變，A錯誤；將鈾棒插入得更深，中子接觸的鈾原子更多，反應加劇，B錯誤；裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量虧損，不守恒，C正確；石墨主要是將快中子變為慢中子，D錯誤。]
8.ABD　[鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故選項A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調節中子數目以控制反應速度，即控制反應堆功率，故選項B正確；慢中子最容易引發核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故選項C錯誤；水或液態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，控制溫度，故選項D正確。]
9.C　[β衰變是原子核的衰變，與核外電子無關，β衰變時釋放的電子是由核內一個中子轉化成一個質子的同時釋放出來的，故A錯誤；質量數較小的核轉化為質量較大的核，屬于輕核聚變，是氫彈聚變原理，故B錯誤；質量數較大的核裂變為質量中等的核，屬于重核裂變，是原子彈裂變反應原理，故C正確；核反應前后核子數相等，核反應遵循質量數守恒而不是質量守恒，故D錯誤。]
10.AC　[根據反應過程滿足質量數守恒和電荷數守恒，可知X粒子的質量數為1，電荷數為0，故X粒子是中子，A正確，B錯誤；根據圖可知U、Sr、Xe相比，Sr的比結合能最大，最穩定，U的質量數最多，結合能最大，比結合能最小，最不穩定，C正確，D錯誤。]
11.BD　[“人造太陽”是以超導磁場約束，通過波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫而發生輕核聚變，故A錯誤；根據質量數守恒和電荷數守恒，可以求出Z＝0，A＝1，即X為中子n，故B正確；1個氘核和1個氚核發生核聚變，可以放出17.6 MeV的能量，故C錯誤；輕核聚變產物為氦核，沒有輻射和污染，所以聚變比裂變更安全、清潔，故D正確。]
12.D　[裂變反應要有多個中子參與，且在書寫裂變反應方程時，兩邊的中子不能消掉，選項A錯誤；核反應生成的新物質更穩定，比結合能更大，則U的比結合能小于Pb的比結合能，選項B錯誤；天然放射現象中產生的γ射線的速度與光速相當，穿透能力很強，選項C錯誤；將由放射性元素組成的化合物進行高溫分解，不會改變放射性元素的半衰期，選項D正確。]
13.(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)0.21 kg
解析　(1)核反應方程為
U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(2)每一天的發電量為
E＝Pt＝10×104×103×24×3 600 J＝8.64×1012 J
消耗的鈾235核的個數為
N＝＝個
＝5.4×1023個
一天需要的純鈾235的質量為
m＝M＝×235×10－3 kg≈0.21 kg。第5節　裂變和聚變
學習目標　1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和聚變的條件。2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能。3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
知識點一　核裂變與鏈式反應
鈾核俘獲中子后分裂成中等質量的原子核，同時生成更多的中子去轟擊其他鈾核，從而使這種裂變反應不斷進行下去。在裂變反應中由于有質量虧損，會釋放大量的能量，談談你對這種核能的認識與應用。
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
1.原子序數：原子核中的　　　　又稱為原子序數。
2.核裂變：比鐵原子核重的一個重核分裂成兩個　　　　的核時，會釋放出能量，我們把這種核反應叫作核裂變。
3.鏈式反應：　　　　原子核的裂變引發　　　　原子核發生裂變，讓核裂變過程自己　　　　下去，源源不斷地將核能釋放出來，這樣的核反應叫作鏈式反應。
4.鈾核裂變典型反應：U＋n→Kr＋Ba＋　　　　。
5.臨界體積：能夠發生鏈式反應的鈾塊　　　　體積叫作它的臨界體積。
6.鏈式反應發生的條件
（1）鈾塊的體積大于或等于臨界體積。
（2）有足夠濃度的鈾235。
（3）有足夠數量的慢中子（熱中子）。
【思考】 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）鈾核裂變的產物（核反應方程）是唯一的嗎？
（3）只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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
聽課筆記____________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________　　　　　　　　　　　　　　　　
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）；
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
（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，阿伏加德羅常量為6.02×1023mol－1）？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
鈾核裂變釋放核能的計算
（1）首先算出裂變反應中發生的質量虧損Δm。
（2）根據ΔE＝Δmc2計算釋放的核能。
（3）若計算一定質量的鈾塊完全裂變時放出的核能，應先算出鈾塊中有多少個鈾核（設為n），則鈾塊完全裂變釋放的核能E＝nΔE。　　　　
知識點二　核聚變及受控熱核反應
聚變反應指較輕的核子結合成較重的核子，核子間的距離需達到10－15 m以內。思考：為什么要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
1.核聚變：兩個輕核聚合成一個　　　　的核時，也會釋放能量，這種核反應叫作核聚變。
2.核反應方程：H＋H→He＋n。
3.條件：使原子核的距離接近到　　　　 m。
方法：加熱到很高的　　　　，因此核聚變又叫作熱核反應。
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。
【思考】 為什么輕核的聚變反應能夠比重核的裂變反應釋放更多的核能？
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
______________________________________________________________________
例3 （2023·天津卷，3）關于太陽上進行的核聚變，下列說法正確的是（　　）
A.核聚變需要在高溫下進行
B.核聚變中電荷不守恒
C.太陽質量不變
D.太陽上進行的核反應為U＋n→Ba＋Kr＋3n
訓練 （多選）下列關于聚變的說法中，正確的是（　　）
A.要使聚變發生，必須克服庫侖斥力做功
B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此輕核聚變又叫作熱核反應
C.原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應
D.太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行
知識點三　核能利用
1.目前，人類主要是開發利用　　　　，為了人工控制鏈式反應的速度，使核能平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆。
2.核反應堆的組成
（1）燃料：　　　　（天然鈾或濃縮鈾）。
（2）慢化劑：　　　　、　　　　，使裂變產生的快中子減速。
（3）控制棒：鎘棒為了調節中子數目以控制反應速度。
3.工作原理
核燃料　　　　釋放的核能轉變為熱能，使反應堆溫度升高，水、液態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。
4.核污染的處理
在核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中，埋入　　　　來處理。
5.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4 如圖是慢中子反應堆的示意圖，下列對該反應堆的說法正確的是（　　）
A.鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
B.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
C.控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D.要使裂變反應更激烈一些，應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，鏈式反應的速度就會快一些
聽課筆記____________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________　　　　　　　　　　　　　　　　
隨堂對點自測
1.（核裂變與鏈式反應）2021年1月30日，華龍一號全球首堆——福建福清核電5號機組投入商業運行，這標志著我國在三代核電技術領域躋身世界前列。目前核能發電都是利用核裂變反應，下列表示重核裂變的是（　　）
A.U＋n→Ba＋Kr＋3n
B.Th→Pa＋e
C.He＋Be→n＋C
D.H＋H→He＋n
2.（核裂變與鏈式反應）關于重核的裂變，以下說法正確的是（　　）
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應
C.重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少
D.由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
3.（核聚變及受控熱核反應）（多選）我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”（如圖）2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎。下列關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生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
4.（核能利用）秦山核電站第三期工程的兩個6×105 kW發電機組已實現并網發電。發電站的核能來源于U的裂變，下列說法正確的是（　　）
A.反應堆中核反應速度通常是采用調節U的體積來控制的
B.U的一種可能的裂變是U＋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，但它對環境的污染比火電站嚴重
第5節　裂變和聚變
知識點一
導學　提示　控制反應速度，緩慢釋放核能，和平利用就是核電站；不控制反應速度，迅速釋放核能，就可以制造原子彈，做成護國利器。
知識梳理
1.質子數　2.較輕　3.一個　其他　持續　4.3n　5.最小
[思考] 提示　(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)不是唯一的。鈾核裂變的產物(核反應方程)是多種多樣的。
(3)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。
例1 B　[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，新核較穩定，D錯誤。]
例2 (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＝2.56×1024
1 kg鈾235原子核發生裂變時釋放的總能量
ΔE總＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV
＝5.14×1026 MeV
設完全燃燒的煤的質量為m
有ΔE總＝qm
所以m＝＝ kg
＝2 797.3 t。
知識點二
導學　提示　在此距離原子核間的庫侖斥力巨大，為克服此斥力，需要核子有很大的動能，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
知識梳理
1.較重　3.10－15　溫度　4.聚變
[思考] 提示　因為很輕的原子核比較重的原子核的核子平均質量更大，聚變成質量較大的原子核能產生更多的質量虧損，所以平均每個核子釋放的能量就更多。
例3 A　[因為高溫時原子核的熱運動劇烈，使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生聚變，故聚變反應也叫熱核反應，需要在高溫下進行，A正確；由于核反應過程遵循質量數守恒以及電荷數守恒，因此核聚變中電荷數是守恒的，即電荷也是守恒的，B錯誤；輕核聚變釋放出巨大的能量，由愛因斯坦質能方程可知核聚變存在質量虧損，所以太陽上進行核聚變時，其質量減小，C錯誤；太陽上進行的是核聚變，而U＋n→Ba＋Kr＋3n是重核的裂變反應，D錯誤。]
訓練 ABC　[輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，故A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度能夠通過原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，但在地球內部不會自發地進行，故D錯誤。]
知識點三
1.核裂變　2.(1)鈾棒　(2)石墨　重水　3.核裂變　循環流動　熱量　發電　4.水泥防護層　放射性　深地層
例4 B　[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，A錯誤，B正確；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，C、D錯誤。]
隨堂對點自測
1.A　[選項A中反應是重核裂變，選項A正確；選項B中反應是β衰變，選項B錯誤；選項C中反應為原子核的人工轉變，選項C錯誤；選項D中反應是輕核聚變，選項D錯誤。]
2.D　[根據重核發生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量，A錯誤；鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必須大于或等于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈式反應不會發生，B錯誤；在裂變反應中核子數守恒，C錯誤；重核裂變為中等質量的原子核時，核子的平均質量減小，則會發生質量虧損，從而釋放核能，D正確。]
3.AD　[與核裂變相比輕核聚變更為安全、清潔，A正確；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，不是任意兩個原子核都能發生核聚變，B錯誤；兩個輕核發生聚變結合成質量較大的核時，放出巨大的能量，根據ΔE＝Δmc2可知，聚變反應中存在質量虧損，則總質量較聚變前減少，C錯誤；兩個輕核結合成質量較大的核的過程中要釋放能量，核子的平均質量減少，核子的比結合能增加，D正確。]
4.B　[反應堆中核反應速度由控制棒(鎘棒)吸收中子的多少來控制，A錯誤；裂變有多種可能性，這是其中常見的一種，B正確；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度壓強等外界條件無關，C錯誤；核電站的核能是清潔能源，污染少，D錯誤。](共51張PPT)
第5節　裂變和聚變
第五章 原子與原子核
1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和聚變的條件。
2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能。
3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
學習目標
目 錄
CONTENTS
知識點
01
隨堂對點自測
02
課后鞏固訓練
03
知識點
1
知識點二　核聚變及受控熱核反應
知識點一　核裂變與鏈式反應
知識點三　核能利用
知識點一　核裂變與鏈式反應
　　　鈾核俘獲中子后分裂成中等質量的原子核，同時生
成更多的中子去轟擊其他鈾核，從而使這種裂變反應不斷
進行下去。在裂變反應中由于有質量虧損，會釋放大量的
能量，談談你對這種核能的認識與應用。
提示　控制反應速度，緩慢釋放核能，和平利用就是核電
站；不控制反應速度，迅速釋放核能，就可以制造原子彈，
做成護國利器。
1.原子序數：原子核中的________又稱為原子序數。
2.核裂變：比鐵原子核重的一個重核分裂成兩個______的核時，會釋放出能量，我們把這種核反應叫作核裂變。
3.鏈式反應：______原子核的裂變引發______原子核發生裂變，讓核裂變過程自己______下去，源源不斷地將核能釋放出來，這樣的核反應叫作鏈式反應。
質子數
較輕
一個
其他
持續
5.臨界體積：能夠發生鏈式反應的鈾塊______體積叫作它的臨界體積。
6.鏈式反應發生的條件
(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積。
(2)有足夠濃度的鈾235。
(3)有足夠數量的慢中子(熱中子)。
最小
【思考】 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)鈾核裂變的產物(核反應方程)是唯一的嗎？
(3)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
提示　(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)不是唯一的。鈾核裂變的產物(核反應方程)是多種多樣的。
(3)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。
B
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
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，新核較穩定，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。　　
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
1 kg鈾235原子核發生裂變時釋放的總能量
ΔE總＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV
＝5.14×1026 MeV
設完全燃燒的煤的質量為m
有ΔE總＝qm
＝2 797.3 t。
鈾核裂變釋放核能的計算
(1)首先算出裂變反應中發生的質量虧損Δm。
(2)根據ΔE＝Δmc2計算釋放的核能。
(3)若計算一定質量的鈾塊完全裂變時放出的核能，應先算出鈾塊中有多少個鈾核(設為n)，則鈾塊完全裂變釋放的核能E＝nΔE。　
知識點二　核聚變及受控熱核反應
　　　聚變反應指較輕的核子結合成較重的核子，核子間的距離需達到10－15 m以內。思考：為什么要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
提示　在此距離原子核間的庫侖斥力巨大，為克服此斥力，需要核子有很大的動能，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
1.核聚變：兩個輕核聚合成一個______的核時，也會釋放能量，這種核反應叫作核聚變。
3.條件：使原子核的距離接近到________ m。
方法：加熱到很高的______，因此核聚變又叫作熱核反應。
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。
較重
10－15
溫度
聚變
【思考】 為什么輕核的聚變反應能夠比重核的裂變反應釋放更多的核能？
提示　因為很輕的原子核比較重的原子核的核子平均質量更大，聚變成質量較大的原子核能產生更多的質量虧損，所以平均每個核子釋放的能量就更多。
例3 (2023·天津卷，3)關于太陽上進行的核聚變，下列說法正確的是(　　)
A.核聚變需要在高溫下進行
B.核聚變中電荷不守恒
C.太陽質量不變
A
訓練 (多選)下列關于聚變的說法中，正確的是(　　 )
A.要使聚變發生，必須克服庫侖斥力做功
B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此輕核聚變又叫作熱核反應
C.原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應
D.太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行
解析　輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，故A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度能夠通過原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，但在地球內部不會自發地進行，故D錯誤。
ABC
知識點三　核能利用
1.目前，人類主要是開發利用________，為了人工控制鏈式反應的速度，使核能平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆。
2.核反應堆的組成
(1)燃料：______ (天然鈾或濃縮鈾)。
(2)慢化劑：______、______，使裂變產生的快中子減速。
(3)控制棒：鎘棒為了調節中子數目以控制反應速度。
3.工作原理
核燃料________釋放的核能轉變為熱能，使反應堆溫度升高，水、液態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。
核裂變
鈾棒
石墨
重水
核裂變
循環流動
熱量
發電
4.核污染的處理
在核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中，埋入________來處理。
5.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。
水泥防護層
放射性
深地層
B
例4 如圖是慢中子反應堆的示意圖，下列對該反應堆的說法正確的是(　　)
A.鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應5
B.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
C.控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒
插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速
度就會慢一些
D.要使裂變反應更激烈一些，應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，鏈式反應的速度就會快一些
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，A錯誤，B正確；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，C、D錯誤。
隨堂對點自測
2
A
1.(核裂變與鏈式反應)2021年1月30日，華龍一號全球首堆——福建福清核電5號機組投入商業運行，這標志著我國在三代核電技術領域躋身世界前列。目前核能發電都是利用核裂變反應，下列表示重核裂變的是(　　)
解析　選項A中反應是重核裂變，選項A正確；選項B中反應是β衰變，選項B錯誤；選項C中反應為原子核的人工轉變，選項C錯誤；選項D中反應是輕核聚變，選項D錯誤。
D
2.(核裂變與鏈式反應)關于重核的裂變，以下說法正確的是(　　)
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應
C.重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少
D.由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
解析　根據重核發生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量，A錯誤；鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必須大于或等于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈式反應不會發生，B錯誤；在裂變反應中核子數守恒，C錯誤；重核裂變為中等質量的原子核時，核子的平均質量減小，則會發生質量虧損，從而釋放核能，D正確。
AD
3.(核聚變及受控熱核反應)(多選)我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎。下列關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生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
解析　與核裂變相比輕核聚變更為安全、清潔，A正確；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，不是任意兩個原子核都能發生核聚變，B錯誤；兩個輕核發生聚變結合成質量較大的核時，放出巨大的能量，根據ΔE＝Δmc2可知，聚變反應中存在質量虧損，則總質量較聚變前減少，C錯誤；兩個輕核結合成質量較大的核的過程中要釋放能量，核子的平均質量減少，核子的比結合能增加，D正確。
B
課后鞏固訓練
3
B
對點題組練
A.10和36 B.3和36
C.36和3 D.2和36
解析　根據核反應中質量數守恒，有235＋1＝144＋89＋x，解得x＝3；再根據電荷數守恒，有92＋0＝56＋y＋0，解得y＝36，B項正確，A、C、D錯誤。
A
2.核工廠將核原料(六氟化鈉)提煉成核反應材料(二氟化鈾)時出現操作失誤，工作人員在一個加工爐中投入16 kg的核原料，大大超過了規定標準，從而造成了核泄漏，這個標準是(　　)
A.臨界體積 B.臨界壓強
C.臨界溫度 D.由一定的溫度、體積和壓強共同確定
解析　臨界體積是核反應技術中的重要參數。如果核原料(六氟化鈉)投入太多，提煉成核反應材料(二氟化鈾)，就會超過臨界體積，則可產生持續的鈾核反應，從而造成了核泄漏，A正確；當鈾塊達不到其臨界體積時，一般情況下，即便壓強和溫度達到一定值時，也不會產生核反應，不會產生核泄漏，B、C、D錯誤。
AB
A.鏈式反應能否發生跟鈾原料的體積有關
B.裂變產物鋇比鈾的比結合能大
C.該方程虧損質量為(m1＋m2)－(m3＋m4＋m2)
D.虧損的質量變成能量釋放出去
解析　該反應為核裂變反應，鏈式反應能否發生跟鈾原料的體積有關，故A正確；重核裂變的生成物原子核更穩定，比結合能更大，則裂變產物鋇比鈾的比結合能大，故B正確；核反應過程中，質量虧損為Δm＝(m1＋m2)－(m3＋m4＋3m2)，故C錯誤；在裂變反應中虧損的質量以能量的形式釋放出來，不是虧損的質量變成了能量，故D錯誤。
D
題組二　核聚變及受控核反應
A.該核反應可在常溫下發生 B.該核反應類型為重核裂變
C.X為中子 D.該核反應前后質量數守恒
解析　熱核反應指的是輕核聚變，需要很高的溫度才能發生，故A、B錯誤；由電荷數守恒和質量數守恒，可推出X的電荷數為1，質量數為1，則X為質子，故C錯誤，D正確。
B
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
解析　在核反應中，反應前物質的質量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，反應后物質的質量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，質量虧損Δm＝m1－m2＝0.003 5 u，則氘核聚變釋放的核能為E＝931×0.003 5 MeV＝3.3 MeV，故B正確。
AC
C
題組三　核能利用
7.2020年11月27日，“華龍一號”發電機組首次并網成功，其內核是如圖所示的核反應堆，關于核反應下列說法中正確的是(　　)
A.圖示裝置的核反應類型是核聚變
B.要使核反應速度減慢，可以將鈾棒插入得更深
C.裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量不守恒
D.石墨起到降低反應溫度的作用
解析　圖示裝置的核反應類型是核裂變，A錯誤；將鈾棒插入得更深，中子接觸的鈾原子更多，反應加劇，B錯誤；裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量虧損，不守恒，C正確；石墨主要是將快中子變為慢中子，D錯誤。
ABD
8.(多選)關于核反應堆，下列說法正確的是(　 　)
A.鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能
B.鎘棒的作用是控制反應堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能
解析　鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故選項A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調節中子數目以控制反應速度，即控制反應堆功率，故選項B正確；慢中子最容易引發核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故選項C錯誤；水或液態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，控制溫度，故選項D正確。
C
9.2019年4月23日，海軍建軍70周年閱兵式上，中國海軍新型攻擊核潛艇093改進型攻擊核潛艇公開亮相，核潛艇是以核反應堆作動力源。關于核反應，下列說法正確的是(　　)
綜合提升練
解析　β衰變是原子核的衰變，與核外電子無關，β衰變時釋放的電子是由核內一個中子轉化成一個質子的同時釋放出來的，故A錯誤；質量數較小的核轉化為質量較大的核，屬于輕核聚變，是氫彈聚變原理，故B錯誤；質量數較大的核裂變為質量中等的核，屬于重核裂變，是原子彈裂變反應原理，故C正確；核反應前后核子數相等，核反應遵循質量數守恒而不是質量守恒，故D錯誤。
AC
BD
11.(多選)“東方超環”是我國自主設計建造的世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。2018年11月，有“人造太陽”之稱的東方超環實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。已知“人造太陽”核聚變的反應方程為H＋H→He＋X＋17.6 MeV，關于此核聚變，以下說法正確的是(　　)
A.要使輕核發生聚變，就要利用粒子加速器，使輕核獲得很大的動能
B.Z＝0，A＝1
C.1 mol氘核和1 mol氚核發生核聚變，可以放出17.6 MeV的能量
D.聚變比裂變更安全、清潔
D
培優加強練
解析　(1)核反應方程為
(2)每一天的發電量為E＝Pt＝10×104×103×24×3 600 J＝8.64×1012 J
消耗的鈾235核的個數為
＝5.4×1023個
一天需要的純鈾235的質量為

展開更多......

收起↑