人教版物理（中职）类 7.2 核能 核技术 教案（表格式）

课题第七章核能及应用第二节核能核技术1课时教学目标知识目标1.了解重核裂变和轻核聚变；2.了解核电站的工作原理；3.了解人类研究受控核聚变的进展情况。能力目标1.通过对核技术的学习，了解核能发电的方法；2.通过对本节的学习，提高分析核能利用等问题的能力；3.通过对裂变和聚变的学习，能领会核能对国家安全的重大意义。情感目标1.通过对核发电技术的学习，了解发展核电对人类能源和环境保护问题的意义；2.通过对我国在核技术研究领域所取得的成就的了解，增强民族自豪感。重点重核裂变和轻核聚变；核电站的工作原理难点质量亏损教具多媒体展示系统主要教学过程学生活动教学过程设计一、引入课题用多媒体展示系统展示教材图7-12。提问：按照我国的《核电中长期发展规划》，到2020年，全国要建成核电机组为4000万千瓦的核电站，装机容量占电力总装机容量的比例将达到4％，如图所示为正在建设中的红沿河核电站的规划效果图。我国为什么要加强核电站的建设呢？（一般情况下，学生回答不出来或回答不准确）引入课题：要想了解上面的问题，我们就要学习今天的课程——第二节核能核技术。二、重核裂变1939年12月，德国物理学家哈恩（1879－1968）和他的助手斯特拉斯曼（1902－1980）发现，用中子轰击元素周期表中的第92号元素铀时，铀核发生了分裂，变成了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来科学家们把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程，叫作重核裂变。科学家们发现，一些核反应后的生成物的总质量比反应前的反应物的总质量减少，这种现象叫作质量亏损。爱因斯坦的质能方程指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。重核裂变时出现质量亏损，必然要放出能量。我们把这种在核反应中放出的能量叫作核能。经过计算发现，如果1kg铀全部裂变放出的核能相当于2500t优质煤完全燃烧释放的化学能。用多媒体展示系统展示教材图7-13。由于一般情况下，铀核裂变时总要释放出2～3个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，这样，裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如图所示。铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫作临界体积。用多媒体展示系统展示教材图7-14。如果铀的体积超过了临界体积，只要有中子进入铀块，会立即引起铀核的链式反应，在不到百万分之一秒内就会释放出惊人的核能，形成剧烈的爆炸。这就是原子弹的原理。如图所示为我国第一颗原子弹于在西部地区爆炸成功。用多媒体展示系统展示教材图7-15。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。反应堆用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉制成控制棒，控制裂变反应速度，反应堆的示意图如图所示。当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，反应速度就会慢下来。用计算机自动地调节镉棒的升降，就能使反应堆保持一定的功率安全地工作。用多媒体展示系统展示教材图7-16。反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热力学能，使反应堆的温度升高。为了控制反应堆的温度，使它能正常工作，需要用水等流体作冷却剂，在反应堆内外循环流动，不断地带走热力学能。这些热力学能将水转变为蒸汽，蒸汽又推动蒸汽轮机发电。核电站的工作原理示意图如图所示。为了防止铀核裂变过程中放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来。对放射性的核废料，要装入特制的容器，埋入地层深处。核电站消耗的燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。因此，与火电相比，核电是一种技术成熟的清洁能源，对环境的污染微乎其微。以核电替代部分煤电，不但可以减少煤炭的开采、运输和燃烧总量，而且是电力工业减排污染物的有效途径，也是减缓地球温室效应的重要措施。用多媒体展示系统展示教材图7-17。目前，我国共有浙江秦山核电站、广东大亚湾核电站、浙江秦山二期核电站及扩建工程、广东岭澳核电站、浙江秦山三期核电站、江苏田湾核电站、广东岭澳二期核电站、辽宁红沿河核电站8座核电站，15台核电机组投入商业运行，装机总容量达到1357万千瓦，核电发电量（2013年4月）占全国总发电量的1.3％，一些新的核电站(浙江三门、山东海阳、广东阳江、福建宁德等)正在建设中。预计到2020年，我国还将建设30台以上的百万级核电机组，核电装机容量将达到5800万千瓦，核电在全国发电装机容量中的比例将占到5%。图7-17为我国江苏田湾核电站一景。三、轻核聚变还有另外一种生产核能的方法，人们发现，当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，这样的反应叫作聚变。例如，一个氘核和一个氚核结合，聚变成一个氦核（同时放出一个中子）时，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍。使轻核发生聚变，必须使它们之间的距离小于10－10m。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的电磁力。这就要使原子核具有很大的动能。用什么办法能使大量原子核获得足够的动能来产生聚变呢？有一种办法，就是把它们加热到很高的温度。当物质达到一千万度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的电磁力，在碰撞时发生聚变。因此，聚变反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。用多媒体展示系统展示教材图7-18。人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器——氢弹。氢弹是利用原子弹爆炸产生的高温来引起热核反应的，其威力往往相当于数百个原子弹。如图所示为我国第一颗氢弹爆炸成功的情景。热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部和许多恒星内部的温度高达一千万摄氏度以上，热核反应在那里激烈地进行着。太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.8×1026J核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1L海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300L汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是取之不尽的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。但是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在一千万摄氏度的高温下才能进行，可以想象，没有什么材料能经受得起一千万摄氏度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。学生观看学生思考并回答板书板书板书板书板书学生观看板书板书学生观看可以播放一些原子弹爆炸的视频学生观看学生观看核电的优点学生观看我国核电发展及前景板书板书板书学生观看受控核聚变的诱人前景受控核聚变目前的困难小结核能核技术1．重核裂变重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程，叫作重核裂变。一些核反应后的生成物的总质量比反应前的反应物的总质量减少，这种现象叫作质量亏损。爱因斯坦的质能方程指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。重核裂变时出现质量亏损，必然要放出能量。我们把这种在核反应中放出的能量叫作核能。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。核电是一种技术成熟的清洁能源，对环境的污染微乎其微。2．轻核聚变当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，这样的反应叫作聚变。聚变反应需要很高的温度，因此又叫热核反应。科学家们正想尽办法要掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。回顾本节知识。随堂练习练习7-21．答核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦·时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如，一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨，而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染，几乎是零排放，对于发展迅速环境压力较大的中国来说，再合适不过。2．参考答案核废料可分为低放射性废料与高放射性废料两种。低放射性核废料是指医院、工厂、研究机构以及核电厂等产生包含放射性物质的废弃物，如衣物、纸类、试验器具等。高放射性核废料则主要来自使用过的核燃料。其中铀235约占3%，其余97%主要为铀238以及钚，这些铀238及钚都是未来可回收利用的资源。核废料都可能导致放射性污染，危害人类健康。低放射性核废料处理起来较为简单，主要是经过焚化压缩固化后，装进大型金属罐，以便在浅地层中掩埋。目前，国际上处理高放射性核废料的方式主要有“再处理”和“直接处置”两种选择。“再处理”主要是从核废料中回收可进行再利用的核原料，包括提取可制造