1、1第六节 核裂变学 习 目 标 知道什么是裂变 了解铀核的裂变特点 知道重核裂变能放出能量，知道链式反应 了解核电站的工作原理知 识 导 图知识点 1 重核的裂变1定义使重核分裂成_中等质量_的原子核的核反应叫重核的裂变。2核反应类型重核的裂变只发生在_人为控制_的核反应中，自然界不会自发的产生。3一种典型的铀核裂变U n Ba Kr_3 n_。23592 10 14456 8936 10知识点 2 链式反应1定义重核裂变产生的_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条件2发生裂变物质的体积大于_临界体积_或裂变物质的质量大于_临界质量_。知识点 3 核电站1核电站的工作原理核
2、电站的核心是_核反应堆_，其简化示意图如图所示。各部分作用如下：(1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀 235 占 3%4%)制成_铀棒_作为核燃料，释放_核能_。(2)减速剂：用_石墨、重水和普通水_，使裂变中产生的中子减速，以便被铀 235 吸收。(3)控制棒：由吸收中子能力很强的_镉_制成，用以控制_反应速度_。(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的_水泥壁_，可防止射线辐射出去。(5)热交换器：靠_水_和_液态金属钠_在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。2核电站与火电站相比有何优缺点(1)优点：核电站消耗的燃料_很少_。作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量_很大_。火电站烧煤要放
3、出很多污染物，而核电站放出的污染物要_少得多_。(2)缺点：一旦核泄漏会造成严重的_核污染_。核废料处理_比较困难_。预习反馈判一判(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。()(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。()(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。()(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。()(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。()选一选山东荣成石岛湾核电站总装机规模 400 万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是( B )A核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量B就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭C在经
4、济效益方面核电与火电不相上下3D核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A 正确；就可采储量所提供的能量来说，远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B 错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C 正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D 正确。想一想如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗？(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案：(1)不是 (2)不能解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。探究一 重核的
5、裂变及链式反应 S 1思 考 讨 论 i kao tao lun1964 年 10 月 16 日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8 万吨 TNT 炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径 400m 的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径 1600m 范围内所有动植物全部死亡(1)巨大的核能是从哪里来的？(2)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？4提示：(1)铀核的裂变(2)不需要G 归 纳 总 结 ui na zong jie1铀核的裂变(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
6、，使核变成不规则的形式。(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 23 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程： U n Xe Sr2 n23592 10 13954 9538 10 U n Ba Kr3 n23592 10 14456 8936 102链式反应的条件(1)要有足够浓度的 235U(2)要有足够数量的慢中子(3)铀块的体积要大于临界体积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
7、200MeV 估算，1kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2800t 标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。D 典 例 剖 析 ian lipou xi典例 1 关于重核裂变，下列说法正确的是 ( D )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，可以释放出核能解题指导： 裂 变 反 应 特 点 规 律 发 生 条 件解析：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 错误，D 正
8、确；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 错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C 错误。 , 对点训练 1 (多选)(河北省邯郸市 20172018 学年高三模拟)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是 U n Ba Kr3 n。下列说法正确的23592 10 14456 8936 105有( AC )A上述裂变反应中伴随着中子放出B铀块体积对链式反应的发生无影响C铀核的链式反应可人工控制D铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析：裂变反应式中的 n 为中子，铀块只有体积大于临界体积，才能发生链式反应，10且铀核的链式反
9、应是可控的，A、C 对 B 错；放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，D 错。探究二 核电站 S 2思 考 讨 论 i kao tao lun如图所示为核电站工作流程示意图(1)核电站的核心设施是什么？(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。G 归 纳 总 结 ui na zong jie核反应堆原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：组成部分 材料 作用裂变材料(核燃料) 浓缩铀(
10、 U)23592 提供核燃料慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快速中子减速控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度反射层 石墨 阻止中子逃逸热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害6特别提醒：在利用核反应堆发电时，一定要注意安全防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。D 典 例 剖 析 ian lipou xi典例 2 (多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法中正确的是( BC )A铀 235 容易吸收快中子发生裂变反应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
11、而引起裂变反应C控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D若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题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。解析：根据铀 235 的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A 错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀 235 吸收裂变，B 正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C 正确，D 错误。 ,
12、 对点训练 2 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，它主要由四部分组成，它们是( A )A原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统B原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C原子燃料、慢化剂、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：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，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故 A 正确。核能的利用与计算1核能的应用7原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来。核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。2核能的计算(1)若以 kg 为质量亏损 m 的单位，则计算时应用公
13、式 E mc2(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则 E m931.5MeV(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV” ，1MeV110 61.61019 J1.610 13 J案例 山东烟台海阳核电站项目，一期工程和 2 号常规岛正在进行设备安装，一期工程规划建设两台 125 万千瓦 AP1000 核电机组，预计 2016 年并网发电。如果铀 235在中子的轰击下裂变为 Sr 和 Xe，质量9038 13654mU235.0439u， mn1.0087u， mSr89.9077u， mXe135.9072u。(1)写出裂变方程；(2)求出一个铀核裂变放出的能量；(3)若铀矿石
14、的浓度为 3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？解析：(2)裂变过程的质量亏损 m mU mn mSr mXe10 mn0.1507u释放的能量 E mc20.1507931MeV140.3MeV(3)核电站一年的发电量 E Pt212510 7365246060J7.88410 16J由 E N E NA E，得 m m3%M EM3%NA Eg4.5710 7g45.7t7.88410162353%6.021023140.31061.610 19答案：(1) U n Sr Xe10 n (2)140.3MeV (3)45.7t23592 10 9038 13654 101(安徽省池
15、州市 2018 届高三上学期期末)前不久，新华社评出 2017 年国际十大新闻：朝鲜核导试验半岛局势趋紧列第五。有关核反应方程，下列说法正确的是( A )A U Th He 属于 衰变23892 23490 42B N He O H 是 衰变147 42 178 1C 核反应方程 Po X He 中的 y206，X 的中子个数为 12821084 y82 42D 铀核裂变的核反应为 U Ba Kr2 n23892 14136 9236 108解析： 衰变是重核自发的放出 粒子的天然放射现象，其中 粒子是 He，故 A42正确； N He O H 是发现质子的原子核人工转变，故 B 错误； X
16、的中子个数为147 42 178 120682124，故 C 错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，故 D 错误。2(湖南永州 20162017 学年高三二模)在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。其中用中子轰击铀核发生裂变是核反应堆中最常见的反应，请完成此核反应方程 U n Ba Kr_3 n_；在23592 10 14156 9236 10此核反应中，分别用 mn和 mp表示中子和质子的质量，用 mU、 mBa、 mKr表示 U、 Ba、23592 14156
17、Kr 的质量，用 c 表示真空中的光速，该反应过程中释放的核能为_( mU mBa mKr2 mn)9236c2_。解析：核反应过程中质量数和电荷数分别守恒；质量亏损等于核反应过程中，反应前的质量减反应后的质量，然后由质能方程求解核能。3(山东日照市 20162017 学年高二下学期调研)2015 年 9 月 3 日，是我国纪念抗日战争和世界反法西斯战争胜利 70 周年。1945 年 7 月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹。落在日本广岛的原子弹，其爆炸力相当于 2104t TNT 爆炸的能量(约 8.41013J)，由此可知该原子弹中
18、铀235 的质量是多少千克？(已知裂变的核反应方程 U n Ba Kr3 n201 23592 10 14156 9236 10MeV，阿伏加德罗常数 NA6.0210 23)答案：1.02kg解析：由核反应方程知，一个铀核裂变能放出 201MeV 的能量，1mol 铀核裂变放出的能量为 E16.0210 23201MeV1.93610 13J,1mol 铀核的质量为 0.235kg，则原子弹中铀核的质量为 m 0.235kg 0.235kg1.02kg。E E1 8.410131.9361013基础夯实 一、选择题(14 题为单选题，5、6 题为多选题)1. U 吸收一个慢中子后，分裂成 X
19、e 和 Sr，还放出( C )23592 13654 9038A1 个 粒子 B3 个中子C10 个中子 D10 个质子解析：设放出的粒子的质量数为 x，电荷数为 y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒。由题意可知则235 1 136 90 x92 54 38 y ) x 10y 0)由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是 10，C 选项正确。2中国承诺到 2020 年碳排放量下降 40%45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将9新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( A )A U n Sr Xe10 n23592 10 9038 13654 10B Na Mg
20、e2411 2412 0 1C N He O H147 42 178 1D U Th He23892 23490 42解析：重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A 是裂变反应，A 正确；B 为 衰变，C 是发现质子的反应，D 是 衰变。31938 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( D )A这个实验的核反应方程是 U n Ba Kr n23592 10 14456 8936 10B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不可以用爱因斯坦的质能方程
21、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：U n Ba Kr3 n，选项 A 不正确；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，23592 10 14456 8936 10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 不正确；核反应中产生的 射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项 D 正确。4在核反应中，控制铀 235 核裂变反应速度的方法是( C )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，以改变参与反应的中子数D利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度解析：在核反应中，使用的浓缩铀达到临界条
22、件才能发生链式反应；在反应中石墨作为“慢化剂”使快中子减速为慢中子，使铀核能进一步反应，故它们都不是用来控制核反应速度的方法，A、B、D 错误。调节中子数目是控制反应速度的方法，镉棒具有很强的吸收中子的能力，C 正确。5(重庆一中 20152016 学年高二下学期期中)下列说法正确的是( AC )A卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为 He N O H42 147 178 1B铀核裂变的核反应是 U Ba Kr2 n23592 14156 9236 10C已知质子、中子、 粒子的质量分别为 m1、 m2、 m3，那么，2 个质子和 2 个中子结合成一个 粒子，释放的能量是(2 m12 m2
23、m3)c2D铀( U)经过多次 、 衰变形成稳定的铅( Pb)的过程中，有 4 个中子转变成23892 20682质子解析：根据物理学史知选项 A 正确；铀核裂变必须吸收慢中子，B 错误；根据爱因斯10坦质能方程，知 C 正确； U Pb8 He6 e，有 6 个中子转变或原子，故 D 错误。23892 20682 42 0 16关于原子核反应堆，下列说法正确的是( ABD )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析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，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
24、反应速度，即控制反应堆功率，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，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，D 正确。二、非选择题7一个铀 235 核裂变时释放出 196MeV 的能量，则 1kg 铀 235 完全裂变时所放出的能量为多少？它相当于多少吨优质煤完全燃烧时放出的能量。(煤的热值为 3.36106J/kg)答案：8.0310 13J 2.3910 4t解析：根据一个铀 235 原子核裂变后释放的能量为 E196MeV。1kg 铀 235 中含原子核的个数
25、为N NA 6.0210232.5610 24mMU 1000235则 1kg 铀 235 原子核发生裂变时释放的总能量 EN N E2.5610 24196MeV5.0210 26MeV8.0310 13J；令 q3.3610 6J/kg 为煤的热值，设 m 为煤的质量，则有 EN qm，所以 m kg2.3910 7kg2.3910 4t。 ENq 8.0310133.36106能力提升 一、选择题(12 题为单选题，3、4 题为多选题)1关于重核的裂变，以下说法正确的是( D )A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C重核裂变释放出大量能量，产
26、生明显的质量亏损，所以核子数要减小D由于重核的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，放出核能解析：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子11即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程。其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。在裂变反应中核子数是不会减小的，如 U 裂变为 Sr 和 Xe 的核反应，其核反应方程为23592 9038 13654U n Sr Xe10 n，23592 10 9038
27、 13654 10其中各粒子质量分别为mU235.0439u， mn1.00867u，mSr89.9077u， mXe135.9072u，质量亏损为 m( mU mn)( mSr mXe10 mn)0.1510u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C 均错。重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量小，会发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项 D 正确。2我国秦山核电站第三期工程中有两个 60 万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U 的裂变，现有四种说法：23592 U 原子核中有 92 个质子，143 个中子；23592 U 的一种可能
28、裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为23592U n Xe Sr2 n；23592 10 13954 9538 10 U 是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为 45 亿年，升高温度半衰期缩短；23592一个 U 裂变能放出 200MeV 的能量，合 3.21011 J。23592以个说法中完全正确的是( D )A BC D解析：由 U 的质量数和电荷数关系易知正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量23592数守恒知正确；半衰期不受外界因素干扰，故错误；通过计算知正确，故答案为D。3下面是铀核裂变反应中的一个： U n Xe Sr10 n23592 10 13654 9038 10已知铀
29、235 的质量为 235.0439u，中子质量为 1.0087u，锶 90 的质量为 89.9077 u，氙 136 的质量为 135.9072u，则此核反应中( BD )A质量亏损为 m235.0439u1.0087u89.9077 u135.9072uB质量亏损为 m(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)uC释放的总能量为 E(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)(3108)2J12D释放的总能量为 E(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)931.5MeV解析：计算亏损质
30、量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故 A 错误，B 正确；质量单位为“u”时，可直接用“1u 的亏损放出能量931.5MeV”计算总能量，故 D 正确，当质量单位为“kg”时直接乘以(3.010 8)2，总能量单位才是焦耳，故 C 错误。42011 年 3 月由 9.0 级地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，导致大量 I 泄露在大气中， I 是一种放射性物质，会发生 衰变而变成 Xe 元素。下1315 1315列说法中正确的是( BC )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 I 发生 衰变的方程式为 I Xe e1315
31、 1315 13154 0 1C I 原子核内有 53 个质子，78 个中子1315D如果将碘 131 的温度降低到 0 度以下，可以延缓其衰变速度解析：核电站是利用核裂变来发电，A 错；根据原子核的结构和方程式书写规则可判BC 正确；衰变与物质所处的物理、化学状态无关，D 错。二、非选择题5(湖北省部分重点中学 20152016 学年高二下学期期中)在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。(1)核反应方程 U n Ba Kr aX 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，23592 10 14156 9236则 a 的值为多
32、少，X 表示哪一种核？(2)有一座核能发电站，发电能力 P110 6kW，核能转化为电能的效率 45%，设反应堆中发生的裂变反应全是(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能 E2.7810 11 J，铀核的质量 mU3.910 25 kg，求每年需要消耗的铀的质量。(结果保留 2 位有效数字)答案：(1)3 中子 (2)0.98t解析：(1)根据质量数和核电荷数守恒可得：X 的电荷数为 0，质量数为 1，X 为中子， a3。(2)该核能发电站一年发出的电能为：W1 Pt110 9365243600J3.153610 16J需要核反应产生的能量为： W 7.00810 16JW1这么多核能需要燃烧的铀核质量为 mWmU2.7810 11代入数据，解得： m980kg0.98t
