1、15.2 裂变及其应用学习目标1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.会判断和书写核裂变方程，能计算核反应释放的能量.3.了解核电站的安全性能及核废料的处理一、核裂变和链式反应导学探究 如图 1 为铀核裂变示意图图 11铀核裂变是如何发生的？答案 (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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应2铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案 重
2、核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应知识梳理 对核裂变和链式反应的理解1核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程2铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 U23592n Ba Kr3 n.10 14456 8936 103链式反应：铀核裂变时，通常会放出 2 到 3 个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其他的铀核，使裂变反应不断地进
3、行下去，这种反应叫做链式反应4发生链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量2即学即用 判断下列说法的正误(1)铀核的裂变是一种天然放射现象( )(2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去( )(3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变( )(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子( )二、核电站知识梳理 核反应堆的结构及核电站的认识1核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，主要由以下几部分组成：(1)裂变材料：铀棒；(2)慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水(也叫轻水)作慢化
4、剂；(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，阻止中子逃逸；(5)热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去；(6)防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及 12m 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(2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆(3)快中子增殖反应堆：以铀235 作为主要裂变材料的反应堆其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料增殖3核电站的工作模式以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电4核安全性与核废料处理(1)核电站的安全性能：为
5、了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了 4 道安全屏障第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块第二道屏障：锆合金包壳第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界第四道屏障：安全壳(2)核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料即学即用 判断下列说法的正误(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度( )(2)核反应堆用过的核废料无毒无害( )3一、重核裂变与其释放核能的计算1常见的裂变方程(1) U n Xe Sr2 n23592 10 13954 9538 10(2) U n Ba Kr3 n23592 10 14456 89
6、36 102链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核(2)有足够浓度的铀 235.(3)有足够数量的慢中子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 200MeV 估算，1kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2800t 标准煤完全燃烧释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温4铀的同位素中铀 235 比铀 238 更容易发生链式反应例 1 关于重核的裂变，下列说法正确的是( )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
7、放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能答案 D解析 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A 错误，D 正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B 错误；重核裂变时，核子数守恒，C 错误重核裂变的实质：(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
8、核的平均结合能比中等质量的核的平均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4例 2 用中子轰击铀核( U)，其中的一个可能反应是分裂成钡( Ba)和氪( Kr)两部分，23592 14156 9236放出 3 个中子各个核和中子的质量如下：mU390.313910 27 kg， mn1.674910 27 kg；mBa234.001610 27 kg， mKr152.604710 27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案 n U Ba Kr3 n 3.220210 11 J10 23592 14156 9236 10解
9、析 铀核裂变方程为 n U Ba Kr3 n，10 23592 14156 9236 10则核反应前后的质量亏损为 m mU mn mBa mKr3 mn3.57810 28 kg，由 爱 因 斯 坦 质 能 方 程 可 得 释 放 的 核 能 为 E mc2 3.57810 28(3108)2 J 3.220 210 11 J.二、核电站1核电站的主要部件及作用如下表：部件名称项目慢化剂 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)镉或硼钢水或液态的金属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
10、性污染2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大(3)对环境的污染要比火力发电小例 3 (多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应是U n Ba23592 10 14456Kr3 n，下列说法正确的有( )8936 10A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答案 AC解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度5的影响
11、，D 错1(对核裂变的理解)一个 U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程23592为 U nX Sr2 n，则下列叙述正确的是( )23592 10 9438 10AX 原子核中含有 86 个中子BX 原子核中含有 141 个核子C因为裂变时释放能量，根据 E mc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A解析 X 原子核中的核子数为(2351)(942)140 个，B 错误；中子数为 140(9238)86 个，A 正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D 错误2(对核反应堆的理解)(多选)关于
12、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答案 ABD解析 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3(质量亏损和核能的计算)一个铀 235 吸收一个中子后发生的一种核反应方
13、程是U n23592 10Xe Sr10 n，放出的能量为 E，铀 235 核的质量为 M，中子的质量为 m，氙 136 核的13654 9038 10质量为 m1，锶 90 核的质量为 m2，真空中光速为 c，则释放的能量 E 等于( )A( M m1 m2)c2B( M m m1 m2)c2C( M m1 m29 m)c2D( m1 m29 m M)c2答案 C6解析 铀 235 裂变时的质量亏损 m M m m1 m210 m M m1 m29 m，由质能方程可得 E mc2( M9 m m1 m2)c2.一、选择题考点一 重核的裂变及裂变过程1当一个重核裂变时，它所产生的两个核( )A
14、含有的总质子数比裂变前重核的质子数少B含有的总中子数比裂变前重核的中子数多C裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D可能是多种形式的两个核的组合答案 D21938 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 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来计算D 实验中产生的 射线穿透能力极强答案 D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
15、n Ba Kr3 n，选项 A 错误；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，发23592 10 14456 8936 10生质量亏损，释放的能量可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，选项 D 正确3原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是( )A. B n Li He105 10 73 42B. U Th He23892 23490 42C. N He O H147 42 178 1D. U n Ba Kr3 n23592 10 14156 9236 10答案 D4在核反应式 U n Sr Xe kX 中( )23
16、592 10 9038 13654AX 是中子， k9 BX 是中子， k10CX 是质子， k9 DX 是质子， k10答案 B7解析 核反应方程应遵循电荷数守恒和质量数守恒，在题目所给核反应式中，设 X 的质子数为 x，则核反应方程的左边总质子数为 92092，右边总质子数为3854 x92， x0，X 的质子数为 0，所以 X 为中子，左边总质量数为 2351236，右边总质量数为 90136 k1236， k10.考点二 核电站5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，它的主要组成部分是( )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
17、原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统答案 A解析 核反应堆的主要部分包括燃料，即浓缩铀 235；减速剂，采用石墨、重水或普通水；控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故 A 正确，B、C、D 错误6(多选)为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的( )A铀块可制成任何体积B铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C通过慢化剂使产生的中子减速D用镉棒作为控制棒，控制反应的剧烈程度，使反应平稳进行答案 CD解析 铀块小于临界体积将不会发生裂变
18、反应，A 错；中子的速度不能太快，否则会与铀核“擦肩而过” ，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变，B 错；镉棒吸收中子，控制反应剧烈程度，使反应平稳进行，D 对；通过慢化剂使中子减速，目的是使中子更容易被铀核俘获，发生链式反应，C 对考点三 核裂变释放核能的计算7(多选)铀核裂变反应中的一个核反应方程为： U n Xe Sr10 n.已知 U23592 10 13654 9038 10 23592的质量为 235.043 9 u， 中 子 的 质 量 为 1.008 7 u， 锶 90 的 质 量 为 89.907 7 u， 氙 136 的 质 量为 135.9072u，则此核反应中( )A质
19、量亏损为 m(235.04391.008789.9077135.9072)uB质量亏损为 m(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)uC 释 放 的 总 能 量 为 E (235.043 9 1.008 7 89.907 7 135.907 2 101.008 7)(3108)2 JD释放的总能量为 E(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)8931.5MeV答案 BD解析 计算亏损质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，B 对；质量单位为 u 时，可直接用“1 u
20、的亏损放出能量 931.5 MeV”计算总能量，故 D 对；当质量单位为 kg 时，直接乘以(310 8)2，总能量单位才是 J，故 C 错8(多选)核电站的核能来源于 U 核的裂变，下列说法中正确的是( )23592A反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理B. U 的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如 Xe 和 Sr，反应方程式为23592 13954 9538U n Xe Sr2 n23592 10 13954 9538 10C. U 原子核中有 92 个质子、143 个中子23592D一个 U 核裂变的质量亏损为 m0.2155u，则释放的核能约 201MeV23592
21、答案 BCD解析 反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故 A 错误；发生核反应的过程满足电荷数和质量数守恒，可判断 B 正确；92 为 U 元素的质子数，中子数为：23592143，故 C 正确；根据质能方程与质量亏损可知，裂变时释放的能量是 E mc20.2155931.5MeV201MeV，故 D 正确二、非选择题9(裂变方程及裂变释放核能的计算)现有的核电站常用的核反应之一是：U n NdZr3 n8 e23592 10 14360 10 0 1 (1)核反应方程中的 是反中微子，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)已知铀核的质量为 235.04
22、39u，中子的质量为 1.0087u，钕(Nd)核的质量为 142.9098u，锆核的质量为 89.9047u，1u1.660610 27 kg,1u 相当于 931.5MeV 的能量试计算 1kg铀 235 裂变释放的能量为多少？答案 (1)40 90 (2)8.110 13J解析 (1)锆的电荷数 Z9260840，质量数 A23511433190.(2)1kg 铀 235 中铀核的个数为n 2.5610 24(个)1235.04391.660610 27不考虑核反应中生成的电子质量，1 个铀 235 核裂变产生的质量亏损为 m0.212u，释放的能量为 E0.212931.5MeV197.5MeV，则 1kg 铀 235 完全裂变释放的能量为 E n E2.5610 24197.5MeV8.110 13J.
