1、第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道核裂变、核聚变、链式反应及其条件，了解可控热核聚变、核电站、原子弹、氢弹等。科学思维能利用质能方程计算重核裂变与轻核聚变释放的核能，提高分析解决问题的能力。科学探究通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体验热核反应的条件。科学态度与责任学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。知识点一重核裂变链式反应1重核裂变(1)定义：用中子轰击重核，重核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量的核反应过程。(2)铀核裂变中的典型核反应方程：nUBaKr3n。2
2、链式反应(1)定义：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出23个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地增加，形成链式反应。(2)发生条件有持续不断的中子。达到临界体积。说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。()(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。()(3)中子轰击重核发生裂变是撞击的效果。()知识点二轻核聚变可控热核聚变1轻核聚变(1)定义：采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为核聚变。(2)太阳内部氢核聚变的反应方程：HHHen。(3)聚变燃料的获
3、取：氘可从海洋中提取，而天然的氚不存在，但可通过反应nLiHeH得到。2可控热核聚变(1)轻核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。(2)物质第四态等离子态：高温等离子体的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变。(3)约束高温等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束。说明：轻核聚变不是重核裂变的逆过程。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。()(2)轻核发生聚变反应不需要条件。()3：填空写出下面三个核反应方程的类型NaMge；衰变UnBaKr3n；重核裂变HHHen。轻核聚变知识点三核能的利用与环境
4、保护1核电站(1)核电站就是将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。(2)燃料：反应堆以U为燃料。2原子弹和氢弹(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。(2)氢弹是一种不需人工控制而实现核聚变的反应装置。3核能的优势与危害(1)优势核能发电可缓解能源危机。核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。(2)危害核废料具有高放射性。核泄漏产生核污染。核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。说明：核能发电产生的核废料具有很强的放射性，并且半衰期也很长，需要装入特制的容器，深埋地下。4：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)目前的核电站采用的是聚变反应。()(
5、2)核电站的发电成本低于煤电。()(3)原子核和氢弹的燃料不同，原理相同。() 考点1对核裂变和链式反应的理解如图所示为重核裂变的链式反应。试探究：(1)什么是链式反应？(2)链式反应中的临界体积指什么？提示：(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。(2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。1铀核的裂变和裂变方程(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)核子分裂：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2或3个中子，
6、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)常见的裂变方程：nUBaKr3nUnSrXe3n。2链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个即可。【典例1】铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是UnBaKr3n，以下说法正确的是()A该反应质量数守恒，没有质量亏损BU的中子数比Ba的多91个CU的比结合能比Ba的大DBa的结合能比kr的大思路点拨：(1)核裂变放出能量，比结合能变大。(2)核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒。D核反应质量数守恒，但此反应释放核能
7、有质量亏损，故A错误；U的中子数为143，Ba中子数为88，中子数相差55，故B错误；重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能变大，故C错误；核子数越多，结合能越大，则Ba的结合能比kr的大，故D正确。故选D。对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。1(多选)(2020河北省武邑宏达实验学校高二月考
8、)用中子轰击U原子核，发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为UnXSr2n，则以下说法中正确的是()AX原子核中含有84个中子BX原子核的结合能比U原子核的结合能大CX原子核中核子的平均质量比U原子核中核子的平均质量小DX原子核中核子的比结合能比U原子核中核子的比结合能大CD由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知X原子核中含有质子数923854中子数23519425486，故A错误；X原子核中的核子数：5486140(个)，核子数越多的原子核结合能越大，故X原子核的结合能比U原子核的结合能小，故B错误；原子核中核子结合时平均每个核子的质量亏损能量越多，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，原
9、子核中核子结合时平均每个核子的质量亏损越多，原子核中核子的平均质量越小；因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量减少，平均质量减少，故C正确；结合能与核子数之比称比结合能，也叫平均结合能，比结合能越大，表示原子核中单个核子分离所需的能量越多，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定；U裂变的过程中释放能量，则U的比结合能小于X原子核的比结合能，即X原子核中核子的比结合能比U原子核中核子的比结合能大，故D正确。故选CD。 考点2对核聚变的理解据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)
10、，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；(2)请说出核聚变能源的优点。提示：(1)核聚变方程：HHHen17.6 MeV(2)优点：产能效率高核燃料储量丰富安全、清洁。1聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。2轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。3核聚变的特点
11、(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。4核聚变的应用(1)核武器氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。5重核裂变与轻核聚变的区别比较项目重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大34倍
12、燃料储量情况聚变燃料储量丰富核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多【典例2】(多选)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其反应式6H2HexHyn，同时释放出43.15 MeV的能量。已知氘核H的质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)，氦核He质量为3 728.4 MeV/c2，中子的质量为939.6 MeV/c2，1 L海水中含有的氘核约为1.01022个，而1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9107 J，下列说法正确的是()A该核反应中x2，y2B质子H的质量为960.3 MeV/c2C1 L海水中的氘核全部反应损失的质量约为1.3107 kgD1 L海水
13、中的氘核全部反应释放的能量大于一吨标准煤燃烧释放的热量AC根据质量数和电荷数守恒可得，该核反应中x2，y2，故A正确；释放出的能量对应的质量为43.15 MeV/c2，根据爱因斯坦质能方程可得，质子H的质量为mMeV/c21 920.6 MeV/c2，故B错误；1 L海水中的氘核全部反应损失的质量mkg1.3107 kg，故C正确；1 L海水中的氘核全部反应释放的能量E43.151061.61019 J1.151010 J一吨标准煤燃烧释放的热量E2.9107103 J2.91010 J，故D错误。故选AC。2太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为4HHe2e2已知H和
14、He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变为1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeVB16 MeVC26 MeVD52 MeVC核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确。 考点3核电站与核反应堆如图是慢中子反应堆的示意图。试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？(2)如何控制裂变反应的激烈程度？提示：(1)慢中子。(2)控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，
15、链式反应的速度就会慢一些，反之，应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快一些。1核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称慢化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(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，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24%)制成，石墨、重水或普通水为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢
16、中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。反应堆示意图(2)控制棒：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插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。(3)冷却剂：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防止射线辐射到外面。3核能的优势与危害(1)核能优势核原料提供的能量巨大，是常规材料无法相比的。核燃料(铀、钍
17、等)在地球上的可采储量丰富。合理利用对环境的污染小。(2)核能的危害核能作为一种新能源，它是一把双刃剑，既有很多优势，也存在一些危害。核燃料使用后，核废料具有高放射性。核能利用的装置一旦在运行中发生事故，产生核泄漏，就会产生严重的后果。核武器的使用会使生态环境受到严重破坏。【典例3】每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)?思路点拨：由题条件求出总能量，再求出有用功，除以时间得到电功率。解析一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：E2006.0210231061.61019 J181013 J电功率P W5.210
18、7 W。答案5.2107 W3在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A使用浓缩铀B改变铀块的临界体积C通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度D利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度C利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确。1(多选)下列说法正确的是 ()A聚变是裂变的逆反应B核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量C轻核聚变比裂变更为安全、清洁D强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子BC聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错误；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文
19、的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C正确；质子是最早发现的强子，故D错误。2下列核反应中，表示核裂变的是()AUThHeBCNeCUnBaKr3nDBeHeCnCUThHe是衰变，CNe是衰变，BeHeCn是人工转变，只有选项C是重核裂变，C正确。3(2020河北省邯郸市期末)2020年11月27日00时41分，华龙一号全球首堆中核集团福清核电5号机组首次并网成功经现场确认，该机组各项技术指标均符合设计要求，机组状态
20、良好，并创造了全球第三代核电首堆建设的最佳业绩。这标志着中国打破了国外核电技术垄断，正式进入核电技术先进国家行列，以下关于核能的有关说法正确的是()A华龙一号发电的核能是利用轻核聚变B华龙一号发电的核能是利用重核裂变C重核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小D轻核聚变过程中释放核能是因为新核核子的平均质量大B目前核电站都是利用重核裂变释放的能量，故A错误，B正确；重核裂变释放核能是因为新核的比结合能大于原来重核的比结合能，故C错误；轻核聚变过程释放能量是因为新核核子的平均质量小于原来核子的平均质量，故D错误；故选B。4(1)裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核U为燃料的反应堆中，当
21、U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为UnXeSr3n235043 9 u 1.008 7u138.917 8 u93.915 4 u(2)一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量m3.016 0 u。已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV。求上述两个核反应中释放的能量。解析(1)mm前m后(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)u0.193 3 u释放的能量为E0.193 3931.5 MeV180.059 MeV。(2)质量亏损mmH2mnm(1.007 321.008 73.016 0)u0.008 7 u释放的能量为E0.008 7931.5 MeV8.104 MeV。答案(1)180.059 MeV(2)8.104 MeV回归本节知识，自我完成以下问题：1.链式反应的条件是什么？提示：裂变物质的体积大于临界体积或质量大于临界质量。2.核反应堆中的控制棒有什么作用？提示：吸收中子，控制反应速度。3.核聚变的条件是什么？提示：轻核的距离要达到1015m以内需要加热到很高的温度。
