,一、重核裂变和链式反应,1.裂变的发现：1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼，在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了一步.,2.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，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，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能.,(3)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.一般说来，平均每个核子放出的能量约为1 MeV，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温.,3.链式反应的条件 (1)铀块的体积大于临界体积 (2)铀块的质量大于临界质量. 以上两个条件满足一个即可.,(1)23592U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)23892U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小.对于能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应.,【典例1】关于重核的裂变，以下说法正确的是( ) 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.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D.重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能,【解题指导】解答本题应注意以下三点：,【标准解答】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吸收的能量，A错，D对.链式反应发生是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，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.重核裂变时，核子数守恒，C错.,【规律方法】 重核裂变的放能实质 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.,【变式训练】铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( ) 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应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式反应与铀块的质量无关,【解析】选C.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须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应，裂变反应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，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确.,【变式备选】下列核反应中，表示核裂变的是( ) A.23892U 23490Th+42He B.146C 147N+0-1e C.23592U+10n 14156Ba+9236Kr+310n D.94Be+42He 126C+10n 【解析】选C.23892U 23490Th+42He是衰变，146C 147N+0-1e是衰变，94Be+42He 126C+10n是人工转变，只 有C选项是重核裂变.,二、核电站,1.核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：,2.反应堆工作原理：(1)在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围.,(2)镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒.控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作. (3)核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电.发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面.,3.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤. (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大. (3)对环境的污染要比火力发电小.,(1)核电站不排放二氧化碳，氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体和烟尘，有利于环境保护. (2)为防止放射性物质的泄漏，核电站一般有4道安全屏障，大大提高了核能利用的安全性.,【典例2】一个铀235原子俘获一个中子后，裂变为氙139和锶94，同时放出三个中子，写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能.已知mU=235.043 94 u,mXe=138.918 44 u, mSr=93.915 57 u,mn=1.008 665 u，1 u相当于931.5 MeV. 【解题指导】解答此题应把握以下三点：,【标准解答】核反应方程为 23592U+10n 13954Xe+9438Sr+310n 该反应的质量亏损为 m=(mU+mn)-(mXe+mSr+3mn)= (235.043 94+1.008 665) u-(138.918 44+93.915 57+3 1.008 665) u=0.192 6 u, 所以，一个铀核裂变释放的核能为 E=0.192 6931.5 MeV179.4 MeV.,【互动探究】1 kg铀完全裂变可释放出的能量，相当于多少热值为2.93107 J/kg的煤完全燃烧时放出的热量？ 【解析】1 kg铀中含有的铀核数为 2.5621024(个). 1 kg铀完全裂变共释放的能量为 E=NE=2.5621024179.4 MeV 4.601026 MeV. 相当于完全燃烧的煤的质量为 2.51106 kg=2 510 t. 答案：2 510 t,【典例】关于核反应堆，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,【解题指导】解答本题的关键是弄清核反应堆的主要结构和各个部分的作用. 【标准解答】选A、B、D.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.,一、选择题 1.(2010上海高考)现已建成的核电站的能量来自于( ) A.天然放射性元素衰变放出的能量 B.人工放射性同位素放出的能量 C.重核裂变放出的能量 D.化学反应放出的能量 【解析】选C.重核在裂变时发生质量亏损，释放出大量的核能，目前建成的核电站一般都是利用重核的裂变.故C正确，A、B、D错误.,2.(2010泰州高二检测)核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.核燃料，慢化剂，冷却系统和控制调节系统 B.核燃料，慢化剂，发热系统和传热系统 C.核燃料，调速剂，碰撞系统和传热系统 D.核燃料，中子源，原子能聚存和输送系统,【解析】选A.核反应堆的主要部分包括：核燃料，即铀235.慢化剂,采用石墨、重水和普通水.控制棒，控制链式反应的速度.冷却系统，水或液态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，故A正确，B、C、D错.,3.当一个重核裂变时，它所产生的两个核( ) A.含有的质子数较裂变前重核的质子数少 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.可能是多种形式的两个核的组合,【解析】选B、D.由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子的能量，在裂变反应中，产物并不是惟一的，故C错误，D正确.,4.关于裂变反应,下列说法中正确的是( ) A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成二、三或四部分 D.所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应,【解析】选B、C.用中子轰击23592U和23994Pu(钚)等少数几种重核元素才能发生裂变反应，发生裂变的原子核可能分裂为二部分、三部分或四部分，但产生两部分的概率很大，由此知B、C正确.,5.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，依靠释放中子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】选C.镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确.,6.23592U吸收一个慢中子后，分裂成13654Xe和9038Sr，还放 出( ) A.1个粒子B.3个中子 C.10个中子 D.10个质子 【解析】选C.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.由题意可得 由此判断该核反应放出的一定是中子，且个数是10.故C正确.,7.1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的 能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏 加德罗常数)( ) A.NA196 MeV B.235 NA196 MeV C.235196 MeV D. 196 MeV 【解析】选D.由于1 mol的铀核质量为235 g，1g铀235的摩尔 数为 因此1 g铀235释放的能量E= 196 MeV，故D 正确.,8.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23592U的裂变，现有四种说法： 23592U原子核中有92个质子，143个中子； 23592U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为23592U+10n 13954Xe+9538Sr+210n; 23592U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； 一个23592U裂变能放出200 MeV的能量，合3.210-11J. 以上说法中完全正确的是( ) A.B.C.D.,【解析】选D.由23592U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.,二、非选择题 9.每昼夜消耗220 g铀235的核电站，如果效率为25%，它生产的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV) 【解析】一昼夜消耗的铀所产生的核能 E=2001061.610-19 6.021023 J =1.801013 J； 电功率 =5.2107 W. 答案：5.2107 W,10.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 量核能. (1)核反应方程式23592U+10n 14156Ba+9236Kr+aX是反应堆中 发生的许