資源簡介

(共27張PPT)
5.4　核裂變和核聚變
5.5　核能的利用與環境保護
1.知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．　
2.了解常用裂變反應堆的類型．　
3.知道聚變反應的特點及其條件，并能計算核聚變釋放的能量．　
4.了解可控熱核反應及其研究和發展前景．　
5.了解核電站的構造和基本原理，了解核武器的種類．　
學習目標
1.定義：重核在被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的較輕原子核，并放出核能的過程.
2.鈾核的裂變
(1)發現：1938年，德國物理學家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時，發現了鈾核的裂變.
(2)裂變產物：多種多樣
＋→＋＋2
＋→＋＋3
一、重核裂變
3.鏈式反應
(1)定義：當中子進入，使其分裂成幾塊，同時釋放出2~3個中子，這些中子又引起其它鈾核的裂變，這樣裂變就會不斷的進行下去，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈式反應.
(2)必要條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積或核裂變物質的質量大于或等于臨界質量.
原子彈
【例1】(多選)關于裂變反應，下列說法正確的是(　　)
A.用中子轟擊鈾核發生裂變，其一定分裂為質量差不多的兩部分
B.鈾核裂變為中等質量的原子核一定釋放能量
C.鈾核發生裂變時可能分裂成兩部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轟擊均能發生裂變反應
解析：用中子轟擊等少數重核元素才能發生裂變反應，鈾核裂變時可能分裂為兩部分、三部分或四部分，但產生兩部分的概率最大，A、D錯誤，C正確；鈾核裂變為中等質量的原子核時一定釋放能量，B正確.
答案：BC
1．核電站發電的主要原理：核燃料裂變釋放的能量使反應區溫度升高．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．反應堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發電機發電．這一部分的工作原理和火力發電相同．
二、反應堆與核電站
2．核反應堆——核電站的心臟：裂變反應堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈式反應的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應堆的結構和工作原理見下表：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) 濃縮鈾(U) 提供核燃料
慢化劑(減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產生的快中子減速
控制棒 鎘 吸收減速后的中子，控制反應速度
反射層 石墨 阻止中子逃逸
熱交換器 水 產生高溫蒸汽，推動汽輪發電機發電
防護層 金屬套和鋼筋混凝土 防止射線對人體及其他生物體的侵害
3．核反應堆與原子彈爆炸的比較：原子彈爆炸時，鏈式反應的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆(核電站的核心設施)．核反應堆是人工控制鏈式反應的裝置．
【例2】在所有能源中，核能具有能量密度大，地區適應性強的優勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發生裂變反應，釋放出大量核能．
(1)核反應方程式＋→＋＋aX是反應堆中發生的許多核反應中的一種，為中子，X為待求粒子，a為X的個數，則X為________，a＝________．以mU、mBa、mKr分別表示、 、核的質量，mn、mp分別表示中子、質子的質量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE是多少？
(2)有一座發電能力為P＝1.00×106 kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%，假定反應堆中發生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的質量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的的質量．
解析：(1)由反應方程可知：X為，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2．
(2)因電站發電效率為40%，故電站消耗的功率為
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，
電站每年消耗的能量為
W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J．
每年消耗的質量為
M＝ mU＝ kg＝1 105 kg．
答案：(1) 　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg
托卡馬克裝置
人造太陽
三、輕核聚變與可控熱核聚變反應
1．輕核聚變
采用輕核聚變成較重核引起結合能變化的方式可獲得核能，這樣的核反應稱為輕核聚變．
2．太陽內部核聚變的反應方程＋→ ＋ ．
3．核子聚變的條件
要使核子發生聚變，必須使核子接近核力能發生作用的范圍．
4．物質第四態——等離子態
在高溫下，原子已完全電離，形成了物質第四態——等離子態．高溫等離子體的密度及高溫維持時間達到一定值時才能實現聚變．
5．約束等離子體的三種方式：引力約束、磁約束、慣性約束．
1．核能利用
核原料提供的能量巨大，1 kg鈾釋放的全部能量大約相當于2 700 t標準煤完全燃燒放出的能量．地球上的常規能源一般都無法跟核能相比．除鈾外，釷也是一種裂變材料，它比鈾更豐富，如果能把釷利用起來，核電的發展前景將更為廣闊．熱核反應所需的氘更是儲量豐富．核原料的運輸和儲存方便，如：一座100萬千瓦核電站一年所需原料鈾，只需6輛卡車就可全部運到現場．
核電站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成溫室效應或酸雨的氣體及煙塵，有利于環境保護．
四、核能的利用及環境保護
2．環境保護
核電站為防止放射性物質的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化鈾陶瓷體燃料芯塊滯留裂變產物，外面密封鋯合金包殼，第三道是壓力邊界，第四道是安全殼．這些措施大大提高了核能利用的安全性．
3．廢料處理
對核廢料先回收利用，剩下的廢料就很少了，將其中低放射性廢料進行瀝青固化或水泥固化后，儲存在地下淺層廢料庫，對高放射性的廢料采用玻璃固化后，埋藏在深層廢料庫．加之實時監測等措施都降低了對環境污染的可能性．
4．核電站
(1)原理
原子核的鏈式反應是在人工控制下進行．釋放的核能轉化為內能，再由蒸汽輪機帶動發電機轉化為電能，使核能為人類和平建設服務．
(2)優點
①核能發電比燃煤發電的成本低，一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30 t左右，而同樣功率的燃煤發電站每年要消耗250萬噸優質煤．
②核電站對環境的污染要比燃煤發電小得多．
【例3】我國自行研制了可控熱核反應實驗裝置“超導托卡馬克”(英文縮寫：EAST，俗稱“人造太陽”)．設可控熱核實驗反應前氘核()的質量為m1，氚核()的質量為m2，反應后氦核()的質量為m3，中子()的質量為m4．光速為c．下列說法不正確的是(　　)
A．這種裝置中發生的核反應方程式是＋→ ＋
B．由核反應過程中質量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反應放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2
D．這種裝置與我國大亞灣核電站所使用的核裝置的核反應原理不相同
解析：可控熱核反應裝置中發生的核反應方程式是＋→ ＋ ，故A正確；核反應過程中存在質量虧損，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B錯誤；核反應過程中的質量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C正確；這種裝置的核反應是核聚變，我國大亞灣核電站所使用的核裝置的核反應是核裂變，它們的核反應原理不相同，故D正確．
答案：B
1.氘核和氚核可發生熱核聚變而釋放巨大的能量，該反應方程為＋→＋X，式中x是某種粒子，已知：、、和粒子X的質量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反應方程和數據可知，粒子X是________，該反應釋放出的能量為________MeV(結果保留3位有效數字)．
隨堂檢測
解析：根據質量數守恒、電荷數守恒，不難推算粒子X是(中子)．根據愛因斯坦質能方程ΔE＝Δmc2知，
該反應釋放出的能量為ΔE＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7)×931.5 MeV＝17.6 MeV.
答案： (中子)　17.6
2.落在日本廣島上的原子彈，相當于2萬噸TNT炸藥放出的能量．原子彈放出的能量約8.4×1013 J，試問有多少個原子核進行分裂？該原子彈中含的質量最小限度為多少千克？(一個原子核分裂時所產生的能量約為200 MeV)
解析：一個原子核分裂時所產生的能量約為200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J．設共有n個核發生裂變：n＝個≈2.6×1024個，鈾的質量m＝235×10－3× kg≈1.015 kg．
答案：2.6×1024 個　1.015 kg
3.(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D正確。
答案：ABD

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