1、5.2裂变及其应用学 习 目 标知 识 脉 络1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量(重点)2.知道什么是链式反应(重点)3.会计算重核裂变过程中释放出的能量(重点)4.知道什么是核反应堆了解常用裂变反应堆的类型(难点)铀核的裂变链式反应1铀核的裂变(1)发现重核裂变是在20世纪30年代末期用中子轰击铀核时发现的(2)原理中子打进铀235核，使该核变成处于激发状态的复核，并分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子(3)产物铀核裂变的产物是多种多样的，一般分裂为中等质量的两部分，但也有三分裂、四分裂现象产物不同，释放的能量和中子数也不尽相同(4)裂变能核裂变释放的能量，也称核能
2、或原子能2链式反应(1)定义：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为链式反应(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积1原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程()2用中子轰击重核使之分裂实现核裂变()3利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹()重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？【提示】重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒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
3、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，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：unXeSr2n.unBaKr3n.2链式反应的条件(1)有足够数量的慢中子轰击(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足3裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度
4、的高温4铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.1关于重核的裂变，以下说法正确的是( )A铀核裂变在自然界中会自发地产生B重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少C由于重核的
5、核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能D美国扔在广岛的第一颗原子弹小男孩是用铀238制成的，之所以用铀238，是因其容易发生链式反应【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A、B错误重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以C正确铀235比铀238易于发生链式反应，可以短时间内放出巨大的核能，因此用铀2
6、35制作原子弹而不用铀238，故D错误【答案】C2(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些射线下列关于这个实验的说法中正确的是( )A这个实验的核反应方程是UnBaKr3nB这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D实验中产生的射线穿透能力极强【解析】根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：UnBaKr3n，选项A正确；铀核裂变过程中产生射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C错误；核反应中产生的射线，穿透能力极强，
7、是能量极高的光子，选项D正确【答案】AD3铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：UnXeSr2n，则A_，Z_.【解析】根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A94，Z38.【答案】9438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裂 变 反 应 堆1基本结构(1)裂变材料：一般用浓缩铀
8、(铀235占3%4%)，通常做成棒状，置于反应堆的中心部分(2)慢化剂(减速剂)：通常用石墨、重水或普通水，使快中子减速成慢中子，便于铀235吸收(3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度(4)反射层：一般用石墨做材料，安放在反应堆周围，阻止中子逃逸(5)热交换器：利用水循环，产生高温高压的蒸汽，从而推动蒸汽轮机，带动发电机发电(6)防护层：防止射线对人体及其他生物体的侵害，由金属套、防止中子外逸的水层以及12_m厚 的钢筋混凝土构成2裂变反应堆的常见类型(1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆优点是中子利用率高，可用天然铀做反应堆燃料缺点是重水昂贵，设备要求高，投资增加(
9、2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂，氦为冷却剂技术上还不成熟，它具有高效率、高安全性，对环境污染小等优点，有着综合利用的广阔前景(3)快中子增殖反应堆：又叫快堆，它是以铀235为主要裂变材料，其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料越“烧”越多，能够将天然铀资源的利用率由1%2%提高到60%70%.1控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的()2核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的()3链式反应一旦形成无法进行人工控制()1核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？【提示】控制棒由镉或硼钢制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉或硼钢棒，可以控
10、制链式反应的速度2慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？【提示】慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率1核反应堆的组成核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度之所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的2核反应堆与原子弹爆炸的比较原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设
11、施)核反应堆是人工控制链式反应的装置3核电站发电的主要原理核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高水或液态的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反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电这一部分的工作原理和火力发电相同4关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )A镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，
12、不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确【答案】C5(多选)关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的( )A镉棒是核燃料，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量【解析】核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出
13、热量则B、D正确，A、C错误【答案】BD6现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：UnNdZr3n8e 【导学号：06092045】(1)核反应方程中的是中微子，它不带电，质量数为零试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u又知1 u1.660 61027 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？【解析】(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z9260840质量数A2361433190.(2)方法一：质量亏损m(mUmn)
14、(mNdmZr3mn)0.217 4 u.一个铀核裂变释放能量Em931.5 MeV0.217 4931.5 MeV202.5 MeV1 kg铀核含有的原子核数为n6.021023个2.5621024个1 kg铀核产生的能量E总nE2.562202.51024MeV5.21026MeV5.210261061.61019 J8.31013 J.方法二：m(mUmn)(mNdmZr3mn)0.217 4 u0.217 41.660 61027 kg3.61028 kgEmc23.61028(3108)2 J3.241011 Jn6.021023个2.5621024个E总nE2.56210243.241011 J8.31013 J.【答案】(1)4090(2)8.31013 J重核裂变核能计算的方法解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来；另外，在计算过程中要注意单位的统一
