1、5.核 裂 变必备知识自主学习一、核裂变【情境思考】如图是中国第一颗原子弹爆炸的蘑菇云,原子弹爆炸发生了什么样的核反应?1.核裂变:重核分裂成几个_原子核的现象。2.铀核的裂变方程式:_中等质量二、链式反应【情境思考】如图是链式反应示意图,链式反应能够自动延续下去的条件是什么?1.链式反应:如果一个反应过程的产物能够_引发这种反应,从而使反应一旦开始后就能_延续下去的反应过程。2.临界体积:能够发生链式反应的裂变物质的_体积。再次自动最小三、核电站1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是_,它主要由以下几部分组成:(1)燃料:_。(2)减速剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用_、重水或普通
2、水作减速剂。(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉_的特性,就可以容易地控制链式反应的速度。核反应堆铀棒石墨吸收中子2.工作原理:核燃料_释放能量,使反应区温度升高。3.能量输出:核反应堆工作时放出的热量,由一回路系统的_(通常是水或液态的金属钠等)带出,用以产生蒸汽。4.核污染的处理:为了保证核电站的安全,新建的核电站设有核燃料芯块的_、回路系统的密封设施以及核电站的_三道屏障。裂变冷却剂密封包壳安全外壳关键能力合作学习知识点一 重核裂变和链式反应1.裂变的发现:1938年,德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有
3、中等质量的原子核钡和氪。2.铀核的裂变:(1)核子受激发:中子打进铀235后,形成一个新的处于激发态的核,原子核内的核子发生剧烈运动。(2)核子分裂:核子的剧烈运动导致核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出23个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。(3)能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一般说来,平均每个核子放出的能量约为1 MeV,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤燃烧时释放的能量,裂变时能产生几万度的高温。3.链式反应的条件:如果铀块体积
4、不够大,生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。【问题探究】如图所示的链式裂变反应及原子弹的爆炸是怎样形成的?这种反应能控制吗?对人类的发展有哪些有益的作用?提示:核裂变是重核被中子轰击后分裂成两个(或几个)中等质量原子核,并放出核能的过程。当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核裂变,且能不断继续下去,这种反应称为链式反应,若不加以控制,就会在瞬间完成,就形成了核爆炸即原子弹的爆炸;如果对链式裂变反应的速度进行控制,使得裂变反应的速度变得较缓慢,能量也就缓慢地释放,人们就可以和平利用这种能量,如发电。【典例
5、示范】【典例】(多选)用中子()轰击铀核()产生裂变反应,会产生钡核()和氪()并释放中子(),达到某些条件时可发生链式反应,个铀核()裂变时,释放的能量约为200 MeV(1 eV=1.610-19 J)。以下说法正确的是()A.裂变方程为B.裂变方程为C.发生链式反应的条件与铀块的体积有关D.一个裂变时,质量亏损约为3.610-28kg【解析】选B、C、D。的裂变方程为,方程两边的中子不能相约,故A错误,B正确。一个铀核()裂变时,释放的能量约为200 MeV,根据爱因斯坦质能方程得,质量亏损m=3.610-28 kg,故D正确。发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积,与体积有关,C正确
6、。故选B、C、D。【规律方法】重核裂变的特点(1)反应特点:重核裂变成中等质量的核。(2)裂变过程满足质量数和电荷数守恒。(3)裂变过程中有质量亏损,放出能量。(4)利用裂变产生的中子轰击其他原子,发生链式反应。【素养训练】铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是()A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀块的质量无关【解析】选C。要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界
7、体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应。裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确。【加固训练】(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是()A.核裂变的产物是多种多样的B.能否发生链式反应与铀块的体积无关C.重核裂变时,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能【解析】选A、D。铀核的裂变产物是多种多样的,A正确;如果铀块体积不够大,生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了,能否发生链式反应与铀块体积有关,B错;重核裂
8、变时核子数守恒,C错;核裂变时释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,D正确。知识点二 对核电站的进一步认识1.核电站使原子核的链式反应在人工的控制下进行,将释放的核能转化为内能,再由汽轮机带动发电机转化为电能。2.核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是浓缩铀235,它的主要部件及作用列表如下。部件名称减速剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(有时叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳部件名称减速剂控制棒热循环介质保护层作用降低中子速度,便于铀235吸收吸收中子,控制反应速度进行内外循环,把热量传输出去屏蔽射线,防止放射性污染3.反应堆工作原理:(1)在核电站中,核反应堆是热源
9、,如图为简化的核反应堆示意图:铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占3%4%)制成,石墨(重水)为减速剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生裂变,减速剂附在铀棒周围。(2)镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒的升降,就能使反应堆安全正常地工作。(3)核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以
10、防止射线辐射到外面。4.核电站发电的优缺点:(1)优点:消耗的核燃料少,一座百万千瓦级的核电站,一年只消耗浓缩铀30 t左右,同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤;对环境的污染要比火力发电小。(2)缺点:用过的铀棒仍然具有强烈的放射性。这些废料的放射性在几万年到几百万年内仍有潜在的危害,因此规划核废料的处理是一个非常麻烦的问题。【问题探究】人类是如何和平利用裂变反应的核能的?其核心设施是什么?主要工作原理是什么?提示:人们通过核反应堆对核链式裂变反应速度进行控制,能量也就缓慢地释放,通过水将其核反应释放的热能由汽轮机转化为电能,其核心设施是核反应堆。【典例示范】【典例】如图所示是慢中子反
11、应堆的示意图,对该反应堆的下列说法中正确的是()A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B.快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C.控制棒由镉做成,当反应过于激烈时,使控制棒插入浅一些,让它少吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些D.要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些【解析】选B。快中子容易与铀235“擦肩而过”,快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应,选项A错误,B正确;控制棒由镉做成,镉吸收中子的能力很强,当反应过于激
12、烈时,使控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,要使反应更激烈,应使控制棒插入浅一些,选项C、D都错误。【素养训练】1.原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由哪四部分组成()A.原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B.原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C.原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统D.原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统【解析】选A。通过学习,我们知道核反应堆的构成分四部分:原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统。2.在核反应堆中,为了使快中子减速成为慢中子,必须用重水或石墨作减速剂,使快中子跟减速剂的原子核相碰撞(设这些碰
13、撞为弹性正碰),以达到减速的目的。你认为用原子量大的作减速剂好,还是用原子量小的作减速剂效果好?试作相应说明和计算。(设减速剂原子核原来是静止的)【解析】因中子与减速剂原子核发生弹性碰撞,碰撞过程中动量和能量都守恒。设中子质量为m,减速剂原子核质量为M,中子的初速度为v0,有mv0=mv1+Mv2,解得v1=可见,当M越接近m时,v1越小,即原子量小的减速效果好。答案:见解析【加固训练】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是()A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【解题指南】解答本题的关键是弄清核反
14、应堆的主要结构和各个部分的作用。【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。【拓展例题】考查内容:对裂变反应的理解【典例】下列核反应中,表示核裂变的是()【解题指南】核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核的现象。【解析】选C。是衰变是衰变是人工转变,只有C选项是重核裂变。【课堂回眸】课
15、堂检测素养达标1.(多选)关于铀核裂变,下列说法正确的是()A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核B.铀核裂变时还能同时释放23个中子C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235D.铀块的体积对产生链式反应无影响【解析】选B、C。铀核受到中子的轰击,会引起裂变。裂变的产物是各种各样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况比较多,也有的分裂成多块,并放出几个中子。铀235受中子的轰击时,裂变的概率大,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,需使铀块体积超过临界体积。综上所述,选项B、C正确。2.核反应堆中的镉棒的作用是(
16、)A.减少中子能量,使快中子变成慢中子B.调节中子数目,控制反应速度C.屏蔽射线,以防伤害人身体D.控制反应堆的温度【解析】选B。减速剂的作用是使快中子变成慢中子,A错;隔棒能够吸收中子,所以可以控制反应速度,B正确;隔棒在反应堆内部,不可能屏蔽射线,C错;冷却剂的作用是控制反应堆的温度,D错;故正确选项为B。3.关于重核裂变,下列说法正确的是()A.重核裂变成中等核要吸收能量B.中子进入铀块中时,一定能发生链式反应C.重核裂变过程中质量数减少D.较重的核分裂成中等大小的核,核子的平均结合能会增加,可以释放出核能【解析】选D。中等大小的原子核的平均结合能最大,这些核最稳定。如果使较重的核分裂成
17、中等大小的核,核子的平均结合能会增加,可以释放出能量,由此知A不符合题意,D符合题意。当一个中子引起一个铀核的裂变后,放出中子,放出的中子如果能引起其他铀核裂变,链式反应才能进行,B不符合题意。核反应满足电荷数守恒和质量数守恒,C不符合题意。4.在增殖反应堆中,铀238吸收快中子后变为铀239,铀239经过2次衰变先后变为镎239()和钚239(),钚239也是一种可以裂变的核燃料。上述各反应方程为:(1)_。(2)_。(3)_。【解析】(1)(2)(3)答案:见解析5.随着社会经济的发展,迫切需要大量的能源。因此,核能的应用作为第三次技术革命的标志之一,受到了人们的普遍重视。(1)核电站中要
18、用核反应堆使重核裂变,将释放出的巨大能量转化为电能。完成下列核反应方程式:+反中微子(反中微子的质量数和核电荷数均为零)(2)依据上述核反应计算:1 kg铀235全部裂变产生多少千焦的能量?已知:核的质量为235.043 9 u,中子(n)质量为1.008 7 u,钕(Nd)核的质量为142.909 8 u,锆(Zr)核的质量为89.904 7 u,1 u=1.660 610-27kg【解析】(1)根据质量数守恒和电荷数守恒,核反应方程应为反中微子。(2)核反应前的质量m1=235.043 9 u+1.008 7 u=236.052 6 u。核反应后的质量m2=142.909 8 u+89.9
19、04 7 u+31.008 7 u=235.840 6 u。核反应前后的质量亏损m=m1-m2=236.052 6 u-235.840 6 u=0.212 u。据1 u=1.660 610-27 kg得m=0.2121.660 610-27kg0.35210-27 kg。1 kg铀235含有原子核的个数N=NA2.561024,故1 kg铀235裂变产生的能量E=Nmc2=2.5610240.35210-27(3108)2 J8.111013 J=8.111010 kJ答案:(1)见解析(2)8.111010 kJ第一座原子反应堆1941年12月开始,费米选择了芝加哥大学的一座运动场的看台下作
20、为实验区,开始了核反应实验。但有两个问题需要解决,一是把快中子减速为慢中子,以提高核裂变的效率;重水是很好的中子减速剂,但成本太高,普通水对中子减速太快,且有很强的吸收作用;最后选择石墨作为中子减速剂。二是严格控制核裂变的反应速度。最后选择了镉来吸收中子,以控制核裂变速度。设计方案为:将反应堆做成立方点阵形式,铀层和石墨层间隔地布置在方阵中。视野拓展趣味物理1942年12月1日反应堆砌好,并达到临界状态。次日抽出控制用的镉棒,自持的链式反应产生了,得到的功率为0.5瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密,他们用暗语向美国国家保卫研究委员会主席通话说:“意大利航海家登上了新大陆。”从此开始了原子能利用的新纪元。