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文档简介

第6节核罩_变

1.核裂变:重核分裂为质量较小的核,释放出核能

的反响。

2.链式反响:由重核裂变产生的中子使裂变反响一

代接一代连续下去的过程。

3.链式反响的条件: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。

课前自主学习,基稳才能楼高

一'核裂变

1.核裂变

重核被蚯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,其中一种典型的反响是黄U

l>

+An-*-^Ba+^Kr+3An<l

3.链式反响

当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核裂变,且能不断连

续下去,这种反响叫核裂变的链式反响。

4.错式反响的条件

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喳界质量。

二'核电站

1.核能释放的掌握

通过可掌握的链式反响实现核能释放的装置称为核反响维。

2.慢化剂

反响堆中,为了使裂变产生的快中子减速,在铀棒四周要放“慢化剂〃,常用的慢化

剂有石墨、重水和一般水。

3.掌握棒

为了掌握反响速度,还需要在铀棒之间插进一些镉棒,它汲取中子的力量很强,反响

过于猛烈时,可将其插入深一些,多汲取一些中子,链式反响的速度就会慢一些,这种镉

棒叫做掌握棒。

4.能量输出

核燃料裂变释放的能量使反响区温度上升,水或液态的金属钠等流体在反响堆内外循

环流淌,把反响堆内的热量传输出去,用于发电。

5.核能发电的效益

(1)一座百万千瓦级的核电站,每年只消耗独独左右的浓缩铀,而同样功率的火电站,

每年要烧煤250万吨。

(2)核电技术已经成熟,在经济效益方面也跟火力发电丕相上工。

(3)作为核燃料的铀、牡等在地球上的可采储量所能供应的能量,比煤、石油等所供应

的能量大15倍左右,核电对环境的污染比火电小。

6.核污染的处理

为阻挡射线对人体的损害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染,在

反响堆外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线,核废料具有很强

的放射性,需要装入特制容器,深埋地下。

I动脑,电考•昌邑做对I

1.自主思索一判一判

(1)铀块的质量大于临界质量时链式反响才能不停地进行下去。(J)

(2)铀核裂变时能释放出多个中子。(J)

(3)掌握棒是通过汲取中子多少来掌握链式反响速度的。(J)

(4)核裂变释放的大量核能是通过在反响堆内外循环流淌的液体传输出去的。(J)

(5)核电废料难以处理,对环境的污染比火电大。(X)

2.合作探究一议一议

(1)铀核的裂变是一种自然?放射现象吗?

提示:不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变,不是自然?放射现象,属于核反响。

(2)铀核裂变的核反响方程是唯一的吗?

提示:不是。铀核裂变的生成物并不确定,所以其核反响方程不是唯一的。

(3)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响,不是为

了减慢裂变速度,而是为了提高中子的利用率。

课堂讲练设计,举一能通类题

对铀核裂变和链式反响的分析

通知识

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

子的猛烈运动,使核变成不规那么的外形。

(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力快速减弱,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:

①喳U+An—劈Xe+圈Sr+2jn。

②镀U+®f弟Ba+黑Kr+3An。

2.链式反响的条件

(1)铀块的体积大于临界体积。

(2)铀块的质量大于临界质量。

以上两个条件满意一个,那么另一个条件自动满意。

3.裂变反响的能量: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假如按200MeV估算,1kg铀235全部裂变放出的能量相

当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。

4.铀235比铀238更易发生链式反响

在自然?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状况不同。

(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1MeV的中子才能发生裂变,且裂变的几率小。能量低

于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞,不引起裂变。因此,为了使链式反响简单发生,

最好利用纯铀235。

谟方法

[典例]1938年哈恩用中子轰击铀核,发觉产物中有原子核领(Ba)、氟(Kr)、中子和一

些Y射线。以下关于这个试验的说法中正确的选项是()

A.这个试验的核反响方程是避U+An-螳Ba+然Kr+An

B.这是一个核裂变过程,反响后粒子质量之和大于反响前粒子质量之和

C.这个反响中释放出的能量不行以用爱因斯坦的质能方程来计算

D.试验中产生的丫射线穿透力量极强

[思路点拨]

(1)核反响方程必需满意质量数守恒和核电荷数守恒。

(2)核反响为放能反响时反响前粒子的质量之和肯定大于反响后粒子的质量之和。

I解析]依据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反响方程应为:磅U+An一弟Ba

+以Kr+3An,选项A不正确;铀核裂变过程中产生丫射线,放出能量,发生质量亏损,释

放的能量依据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C不正确;核反响中产生的丫射线,穿透

力量极强,是能量极高的光子,选项D正确。

[答案]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响,缘由是核反响前后质量有亏损,根本缘由是重核的比结

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。

e通题组

1.关于重核的裂变,以下说法正确的选项是()

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,肯定发生链式反响

C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要削减

D.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:选D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汲取的能量,A错,D对;发生链式反响是有条件的,

铀块的体积必需大于其临界体积,否那么中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,那么

不会发生链式反响,B错;重核裂变时,核子数守恒,C错。

2.(多项选择)关于铀核裂变,以下说法正确的选项是()

A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核

B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子

C.为了使裂变的链式反响简单进行,最好用铀235而不用铀238

D.铀块的体积对产生链式反响无影响

解析:选BC铀核受到中子的轰击,会引起裂变,放出2〜3个中子,裂变的产物是

各种各样的,具有极大的偶然性,只是裂变成两块的状况多,也有的分裂成多块,A错误,

B正确。铀235受慢中子的轰击时,裂变的概率大,而铀238只有俘获能量在1MeV以上

的中子才能引起裂变,且裂变的几率小,C正确。而要引起链式反响,需使铀块体积超

过临界体积,故D错误。

3.核电站利用原子核链式反响放出的巨大能量进行发电,变U是核电站常用的核燃料。

道U受一个中子轰击后裂变成第Ba和第Kr两局部,并产生_______个中子。要使链式反响

发生,裂变物质的体积要(选填"大于"或"小于")它的临界体积。

解析:核反响方程遵守质量数守恒和电荷数守恒,且该核反响方程为:2馥U+An-啸Ba

+以Kr+3An,即产生3个中子。临界体积是发生链式反响的最小体积,要使链式反响发生,

裂变物质的体积要大于它的临界体积。

答案:3大于

考点二核电站的工作原理及核力发电的优点

C通知识

1.反响堆工作原理

(1)热源:在核电站中,核反响堆是热源,如图19-6-1所示为简化的核反响堆示意图:

铀棒是燃料,由自然?铀或浓缩铀(铀235的含量占2%〜4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,

使反响生成的快中子变为慢中子,便于铀235的汲取,发生裂变,慢化剂附在铀棒四周。

镉棒

反应堆示意图

图19-6-1

(2)掌握棒:镉棒的作用是汲取中子,掌握反响速度,所以也叫掌握棒。掌握棒插入深

一些,汲取中子多,反响速度变慢,插入浅一些,汲取中子少,反响速度加快,采纳电子

仪器自动调整掌握棒插入深度,就能掌握核反响的猛烈程度。

(3)冷却剂:核反响释放的能量大局部转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,

在反响堆内外循环流淌,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。

发生裂变反响时,会产生一些有危急的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线

辐射到外面。

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、牡等在地球上可采储量大。

(3)对环境的污染要比火力发电小。

0通方法

[典例]在全部能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优点,在核电站中,核反

响堆释放的核能被转化为电能。核反响堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反响,

释放出大量核能。

⑴核反响方程式避U+和一罐Ba+舒Kr+aX是反响堆中发生的很多核反响中的一种,,

n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,那么X为,a=。以mKa.

机Kr分别表示医可、熨Ba、绿Kr核的质量,叫、叫,分别表示中子、质子的质量,c为光在

真空中传播的速度,那么在上述核反响过程中放出的核能AE=o

(2)有一座发电力量为尸X106kW的核电站,核能转化为电能的效率”=40%。假定反

响堆中发生的裂变反响全是此题(1)中的核反响,每次核反响过程中放出的核能AEX10F

J,铀核的质量/nu=390Xl(F27X107s)消耗的磁U的质量。

[解析](1)依据电荷数守恒和质量数守恒可推断X为An,。为3,由质能方程知释放的

能量为

2

AE=(/〃U-加Ba一帆Kr-2/Zln)C。

(2)因核电站的核能转化效率为40%,故核电站消耗核能的功率为P'=念=戢

X106kWo

那么核电站每年所需核能为

E=P'<X109XX107X1016Jo

产生这些能量消耗的铀核的数目:

〃=焉=错误!=x1027(个)

故每年消耗镀U的质量为

2727

M=nmvX10X390X10-kg=l103.7kg。

2

[答案]⑴An3(/nu-//iBa—wiKr—2mn)c

(2)1103.7kg

(1)裂变核反响方程满意电荷数和质量双守恒。

(2)核电站向外输送的能量是一个个核反响释放核能累加的结果,故”=焉,M=n-mv.

AZi

0通霞画

1.(多项选择)关于核反响堆,以下说法正确的选项是()

A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能

B,镉棒的作用是掌握反响堆的功率

C.石墨的作用是汲取中子

D.冷却剂的作用是掌握反响堆的温度和输出热能

解析:选ABD铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒汲取中子的力量

很强,作用是调整中子数目以掌握反响速度,即掌握反响堆功率,故B正确;慢中子最简

单引发铀核裂变,所以在快中子遇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响堆内外循环流淌,把反响堆内的热量传输出去,用于

发电,同时也使反响堆冷却,掌握温度,故D正确。

2.原子反响堆是实现可掌握的重核裂变链式反响的一种装置,它主要由四局部组成

()

A.原子燃料、减速剂、冷却系统和掌握调整系统

B.原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统

C.原子燃料、减速剂、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:选A原子反响堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%〜4%)制成的铀棒;铀

235易俘获慢中子,不易俘获快中子,必需使用减速剂(如石墨、重水、一般水),让快中子

跟减速剂的原子核碰撞后能量削减,变成慢中子;掌握调整系统是用于调整中子的数目以

掌握反响速度,它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些掌握棒及计算机调整系统组成;冷

却系统靠水或液态金属钠等流体在反响堆内外循环流淌,把反响堆内的热量传输出去,用

于发电,同时使反响堆冷却,保证平安。

3.铀核裂变的很多可能的核反响中的一个是磁U+An-熨Ba+瑞Kr+3m

(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量。

(赞U、贤Ba、然Kr、An的质量分别为235.0439u、140.9139u>91.8973u、1.0087u)

X107J/kg)

解析:(1)裂变反响中的质量亏损为

Am=(235.0439-140.9139-91.8973-2X1.0087)u=0.2153u

一个铀235原子核裂变释放的能量为

AE=0.2153X931.5MeV=200.6MeVo

(2)1kg铀235中铀核的个数为

、=235.0439X1.6606X10=7X1(百(个)

1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量为

E=N\EX1024X200.6MeVXIO26MeVXIO13J

设g为煤的热值,M为煤的质量,那么有E=gM,所以

M=§=错误!XUPt。

答案:(1)200.6MeVX1013X1031

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一、基础题与熟

1.(多项选择)当一个重核裂变时,它能产生的两个核()

A.肯定是稳定的

B.含有的中子数较裂变前重核的中子数少

C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量

D,可以是多种形式的两个核的组合

解析:选BD重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子,裂变释放

的能量比俘获中子的能量大,C错误。中子数会削减,故B正确。重核裂变的产物是多种

多样的,故A错误,D正确。

2.在核反响中,掌握铀235核裂变反响速度的方法是()

A.使用浓缩铀

B.转变铀块的临界体积

C.通过自动掌握装置,转变镉棒插入的深度,以转变中子数

D.利用石墨与中子的碰撞来转变中子的速度

解析:选C掌握铀235核裂变反响速度的方法是掌握中子的数量,其有效方法是用

汲取中子力量很强的镉棒插入铀燃料四周,镉棒插入的深度不同,就会掌握中子的数目,

到达掌握核反响的目的,C正确。

3.贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器,贫铀是提炼铀235以后的副产品,其主要成分

为铀238,贫铀炸弹不仅有很强的穿甲力量,而且铀238具有放射性,残留物可长期对环境

起破坏作用而造成污染。人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。以

下表达错误的选项是()

A.铀238的衰变方程式:燮Uf瞽*Th+?He

B.赞U和赞U互为同位素

C.人患皮肤癌和白血病是由于核辐射导致了基因突变

D.贫铀弹的穿甲力量很强,也是由于它的放射性

解析:选D铀238具有放射性,放出一个a粒子,变成柱234,A正确。铀238和铀

235质子数相同,互为同位素,B正确。核辐射能导致基因突变,是皮肤癌和白血病的诱因

之一,C正确。贫铀弹的穿甲力很强,是由于它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀

合金组成,攻击目标时产生高温化学反响,所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹,D

错。

4.铀核裂变时,对于产生链式反响的重要因素,以下说法中正确的选项是()

A.铀块的质量是重要因素,与体积无关

B.为了使裂变的链式反响简单发生,最好直接利用裂变时产生的中子

C.假设铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反响就能够发生

D.能否发生链式反响与铀块的质量无关

解析:选C要使铀核裂变产生链式反响,铀块的体积必需大于临界体积或铀块的质

量大于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式

反响,裂变反响中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,假如铀块的

质量大,那么其体积大,假设超过临界体积那么发生链式反响,由此知A、B、D错误,C

正确。

5.我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于避

U的裂变,现有四种说法:

①崂U原子核中有92个质子,143个中子;

②道U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核反响方程为镀U+gf号Xe+蜀

Sr+2jn;

③好U是自然?放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,上升温度半衰期缩短;

④一个密U裂变能放出200MeVX10-"J„

以上说法中完全正确的选项是()

A.①@③B.②③④

C.④D.①②④

解析:选D由贲U的质量数和电荷数关系易知①正确;由核反响方程中电荷数守恒

和质量数守恒知②正确;半衰期不受外界因素干扰,故③错误;由于200MeV=

200X106XX10-19X10-,1J,所以④正确,故答案为D。

6.(多项选择)下面是铀核裂变反响中的一个:道U+血一野Xe+黜Sr+10An

铀235的质量为235.0439u,中子质量为1.0087u,锢90的质量为89.9077u,M136

的质量为135.9072u,那么此核反响中()

A.质量亏损为Am=235.0439u+1.0087u-89.9077u-135.9072u

B.质量亏损为Am=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10X1.0087)u

C.释放的总能量为AE=(235.0439+1.0087-89.9077—135.9072-10X1.008

7)X(3X108)2J

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