1、第六节 核能利用第七节 小粒子与大宇宙第四章 原子核学习目标1.知道什么是反应堆，了解反应堆的工作原理2知道什么是核电站，了解我国核电站的发展3了解物质世界的时间跨度和空间跨度第四章 原子核一、反应堆 1受控热核反应是人类对_能量的利用 2核反应堆的建造是人类对_能量的利用 核聚变核裂变3核反应堆是_的装置 核反应堆用_或_制成铀棒作为核燃料；用_、_作为减速剂使中子减速；为调节中子数以控制反应速度需用_作为控制棒；为控制反应堆的温度,需要用_、液体金属钠等流体作为冷却剂在反应堆内外循环流动,不断带走热能，同时可以用来输出热能加以利用；在反应堆外面修建很厚的_来屏蔽射线，将放射性废料装入特制的
2、容器，埋入地层深处来处理 人工控制链式反应天然铀浓缩铀石墨重水镉棒水水泥防护层想一想 为什么要大力发展核能？提示：地球上的常规能源(煤、石油、天然气)正在日益枯竭,核能是人类今后能源发展的重点之一.二、核电站 核能利用 1核电站 利用反应堆工作时释放出的_能使水汽化以推动汽轮发电机发电 2核能利用 发电，制造核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰，进行原子核物理实验，制造各种放射性同位素 热三、从小粒子到大宇宙空间跨度 人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从_到_，共跨越了大约42个数量级 四、从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度 物质世界的时间尺度，约从_到_，也跨越了将近43个数量级 101
3、5 m1027 m1025 s1018 s核电站1核电站是使原子核的链式反应在人工控制下进行，使释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务 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，它的主要部件列表如下：慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的材料 作用 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 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 3.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每
4、年要消耗250万吨优质煤(2)对环境的污染要比火力发电小 铀核裂变有多种形式，其中一种的核反应方程是23592U10n14156Ba9236Kr310n.(1)试计算一个铀 235 原子核裂变后释放的能量(23592U、14156Ba、9236Kr、10n 的质量分别为 235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u 相当于 931 MeV)(2)1 kg 铀 235 原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为 2.94107 J/kg)(3)一座发电能力为 P1.00106 kW 的核电站，核能转化为电能的
5、效率为 40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，所用铀矿石中铀 235 的含量为 4%，则该核电站一年消耗铀矿石多少吨？思路点拨(1)计算释放的核能相当于燃烧多少煤，或需要多少铀时，先计算出一个铀核裂变放出的能量 E，E 乘以原子核数为放出的总能量 E，再由 E 计算煤或铀的质量(2)原子核数 N MM核 MM摩NA.解析(1)裂变反应的质量亏损为m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.008 7)u0.215 3 u一个铀 235 原子核裂变后释放的能量为E0.215 3931 MeV200.4 MeV.(2)1 kg 铀 235 中含
6、原子核的个数为N mMUNA1032356.0210232.561024则 1 kg 铀 235 原子核发生裂变时释放的总能量ENNE2.561024200.4 MeV5.131026 MeV设 q 为煤的热值，m 为煤的质量，有 ENqm所以 mENq 5.1310261061.610192.94107kg279 1.8 t.(3)核电站一年的发电量 EPt，需要的核能为EPt设所用铀矿石质量为 M，则铀 235 的含量为 0.04M，对应的原子核数0.04MNAMU因Pt 0.04MMU NAE则 MPtMU0.04NAE1093652460602350.0440%6.021023200.
7、41061.61019 g2.4107 g24 t答案(1)200.4 MeV(2)5.131026 MeV 279 1.8 t(3)24 t 核能的利用与环境保护1核原料提供的能量巨大，1 kg铀全部释放的能量大约相当于270 0 t标准煤燃烧放出的能量地球上的一般常规能源都无法跟核能相比除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔热核反应所需的氘如前所述更是储量丰富核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场 核电站不排放二氧化碳、氢氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护 2核电站
8、为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物,外面密封锆合金包壳,第三道是压力边界，第四道是安全壳这些措施大大提高了核能利用的安全性 对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库,对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性(双选)(2014陕西西工大适应考)日本东海岸曾发生9.0级地震，地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统,最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏,向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质，这些放射性物质随
9、大气环流飘散到许多国家有效防治核污染，合理、安全利用核能成为当今世界关注的焦点和热点下列说法中正确的是()A福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电B铯、碘、钡等衰变时释放能量，故会发生质量亏损C铯137进行衰变时，往往同时释放出射线，射线具有很强的穿透能力，甚至能穿透几厘米厚的铅板D铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统，其半衰期是30.17年，如果将铯137的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度解析 核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，而不是靠衰变，A错释放能量就一定有质量亏损，B正确衰变往往同时释放出射线，射线具有很强的穿透能力，能穿过几厘米厚的铅板，C正确放射性
10、元素的半衰期由其本身决定，与周围环境无关，D错 答案 BC 有关核反应的综合问题范例(8 分)某一年，7 颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的 光子，经分析确认，1 个负电子和 1 个正电子湮灭时放出 2 个频率相同的 光子已知负电子、正电子的静止质量 m09.11031 kg，又已知静止质量为 m0 的粒子，其能量 E 和湮灭前的动量 p 满足关系 E2c2p2m20c4.式中 c 为光速，若负电子、正电子的动量为零，求：(1)写出湮灭的核反应方程式(2)用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子(3)计算出 光子的频率解析(1)核反应方程式为 01e01e2.(2 分)(2)若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的(2 分)(3)正、负电子湮灭前的动量为零，即 c2p2 项为零，可知其对应的能量为 Em0c2，光子的能量满足 Eh，由能量守恒有：m0c2 m0c2 2h，即 得 频 率 为 m0c2h9.11031(3108)26.631034Hz1.241020 Hz.(4 分)答案(1)01e01e2(2)见解析(3)1.241020 Hz借题发挥 本题中需明确光子、电子等微观粒子均有动量和能量，且动量守恒定律、能量守恒定律在核反应中同样适用