2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理選擇性必修3 第5章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變(3)課件

知識回顧＋＋衰變?nèi)斯まD變導入新課核電站中的核反應堆秦山核電站想了解它們嗎？Letusgo?。。『肆炎兞炎兎磻押土炎兒玩準椒磻?/p>

通過前面的學習,核反應中有些可以釋放出能量,有些要吸收能量,什么樣的核反應會放出能量呢？想一想

物理學家發(fā)現(xiàn),不僅核子結合成原子時核時有質(zhì)量虧損,會放出核能,有些重核分裂成中等質(zhì)量的核時也會發(fā)生質(zhì)量虧損,同時放出巨大的核能.想一想想一想,這又是為什么呢？生成物反應物核反應示意圖核子數(shù)核子數(shù)＝核子的平均質(zhì)量原子核質(zhì)量核子數(shù)＝

精確的研究表明,原子核的質(zhì)量雖然隨著原子序數(shù)Z的增大而增大,但是二者之間并不成正比關系.人們發(fā)現(xiàn),不同的原子核,其核子的平均質(zhì)量（原子核的質(zhì)量）如下頁的圖.

從圖中可以看出,鐵原子核中原子的平均質(zhì)量最小.如果原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)小小一些的核B和C,或者原子序數(shù)很小的輕核D、E結合成一個原子序數(shù)大些的F核,都會有質(zhì)量虧損,都會放出巨大的核能.核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關系EDCBFAFeOZ

重核分裂成中等質(zhì)量的核時,釋放出核能的反應稱為核裂變（nuclearfission）.名詞解釋

由于重核的不穩(wěn)定性,有的重核會發(fā)生自發(fā)裂變,但這種裂變中核能釋放的過程進行得極其緩慢,功率很小.

例如,在自發(fā)裂變情況下,1g鈾238要經(jīng)過45億年才剩下0.5g,再經(jīng)過45億年剩下0.25g……如此緩慢地釋放何能是毫無價值的.想一想怎樣讓釋放的核能有價值呢？1939年12月,德國科學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn),用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生了裂變.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的,一種典型的反應是裂變成鋇和氪,同時放出三個中子.核反應方程為：哈恩鈾235的裂變

裂變時會釋放出巨大的核能.在上述裂變的前后的質(zhì)量虧損為△m=0.358×10-27kg釋放的核能為△E=△m·c2=201MeV

鈾核裂變的產(chǎn)物不同,釋放的能量也不同.一般說來,鈾核裂變時平均每個核子釋放的能量約為1MeV.

可以估計,如果1kg鈾全部裂變,它放出的能量約為2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時釋放的能量.

一般說來,鈾核裂變時總要釋放出2～3個中子,這些中子又引起其他的鈾核裂變并釋放更多的中子,這樣裂變就會自動的不斷進行下去,釋放出越來越多的能量,這一過程稱為鏈式反應（chainreaction）.中子中子鈾235裂變

如果不對鏈式反應進行控制,雪崩式的鏈式反應就會在瞬間發(fā)生,數(shù)量巨大的鈾核在不到百萬分之一秒內(nèi)全部全部裂變會放出驚人的能量,并形成劇烈爆炸.原子彈原理原子彈爆炸原子彈核反應堆

怎樣想辦法讓鏈式反應中釋放的巨大能量為我們所用而又不引發(fā)爆炸呢？想一想

我們應該讓鏈式反應中產(chǎn)生的核能穩(wěn)定釋放,必須控制鏈式反應進行的速度.

核反應堆（nuclearreactor）是一種實現(xiàn)可控鏈式反應的裝置,它可以使堆內(nèi)的鏈式反應以一定的強度進行下去,從而穩(wěn)定的釋放核能.1945年,世界上那個第一個實驗核反應堆建成.

核反應堆的類型多種多樣,根據(jù)反應堆的工作原理,主要分為以下兩類：慢中子反應堆目前廣泛應用的實用核反應堆快中子增殖反應堆目前正在研究和試驗的核反應堆①慢中子反應堆

堆中的核反應主要是鈾235吸收慢中子后發(fā)生的裂變.

第一,鈾裂變時產(chǎn)生的中子大都為快中子,而鈾235易俘獲慢中子而不易俘獲快中子.因此,需用慢化劑使裂變中放出的快中子減速,成為可以誘發(fā)鈾235裂變的慢中子（又稱熱中子）,從而維持鏈式反應.常用的減速劑有輕水（普通水）、重水或石墨.根據(jù)所用慢化劑的不同.反應堆可以分為輕水堆、重水堆、石墨堆等.

反應堆主要通過以下兩個方面來控制鏈式反應.

第二,用吸收中子能力很強的鎘做成控制棒,將它們插入鈾棒之間.用控制棒調(diào)節(jié)反應堆中的中子數(shù)目,從而控制鏈式反應的速度,使反應既不會過分劇烈,又能以一定強度進行下去.

反應堆內(nèi)外循環(huán)流動的冷卻劑將裂變產(chǎn)生的熱傳輸出去.常用的冷卻劑有輕水、重水和液態(tài)金屬鈉.

用普通水做慢化劑和冷卻劑的輕水堆又分為沸水堆和壓水堆.慢中子反應堆結構示意圖水泥防護層控制棒——鎘棒燃料棒——鈾棒減速劑堆芯由燃料棒、控制棒和慢化劑組成反射層把外逸的中子反射回堆層水泥防護層屏蔽堆中放出的各種射線注意a建造核反應堆時要特別注意的問題是防止放射線和放射性物質(zhì)的泄露,以傷害人體、污染環(huán)境.b核反應堆中使用過的核廢料仍然具有很強的放射性,必須裝入特制的容器,深埋地下.②快中子增殖反應堆為了更充分的利用天然鈾資源.目的每“燒”掉一個裂變核可以產(chǎn)生一個以上的新的燃料核.特點核裂變中產(chǎn)生的快中子維持鏈式反應被鈾238吸收變成鈾239兩次β衰變變成钚239

钚239也是一種可裂變的核燃料.在快中子增殖反應堆中,钚239產(chǎn)生的速度大于鈾235消耗的速度,結果核燃料中可裂變產(chǎn)物會越來越多,由此將天然鈾資源的利用率提高到60%～70%.相當于可利用的天然鈾資源增加了60～70倍.

還可以用釷232代替上述的鈾238經(jīng)歷同樣反應后變?yōu)殁?33.

鈾233也是一種可裂變的核燃料.快中子增殖反應堆可以利用除鈾以外的釷燃料和其他反應堆中用過的核廢料.核電站熱交換器蒸汽輪機發(fā)電機蒸汽冷凝器水泵泵冷卻劑水泥防護層

原子反應堆核電站原理示意圖

在第一循環(huán)回路中,高壓和高溫的水霸堆芯的熱量傳到蒸汽發(fā)生器中,使第二循環(huán)回路中的水汽化.高壓水蒸氣再推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電,這部分與火力發(fā)電廠基本相同.

核電站消耗的核燃料很少,一座百萬千瓦級的核電站,每年只消耗約30t濃縮鈾,而同樣功率的火電站,每年只消耗約2.5×106t煤.優(yōu)點經(jīng)濟效益方面,不在火電站之下.對環(huán)境的污染比火電站小.課堂小結1、裂變和鏈式反應⑴重核分裂成中等質(zhì)量的核,釋放出核能的反應稱為核裂變.⑵⑶理解鏈式反應.2、核反應堆⑴核反應堆是一種可控鏈式反應的裝置.3、核電站⑴核電站利用核能發(fā)電,其核心設施為核反應堆.⑵與火電站相比,對環(huán)境污染小.⑵根據(jù)工作原理,核反應堆可分為慢中子反應堆和快中子增殖反應堆.高考鏈接1.一個原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應,其裂變方程為如下,則下列敘述正確的是（）D．因為裂變時釋放能量,出現(xiàn)質(zhì)量虧損,所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少C．因為裂變時釋放能量,根據(jù)E=mc2,所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加B．X原子核中含有141個核子

A．X原子核中含有86個中子A2.某原子核吸收一個中子后,放出一個電子,分裂為兩個α粒子.由此可知()D.A=8,Z=4C.A=8,Z=3B.A=7,Z=4A.A=7,Z=3XAZ點撥

裂變前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,故CD錯.X的質(zhì)子數(shù)為54,質(zhì)量數(shù)為140,則中子數(shù)為86,故B錯A對.A點撥裂變前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒.3.目前核電站利用的核反應是()D．聚變,核燃料為氘C．裂變,核燃燒為氘B．聚變,核燃燒為鈾

A．裂變,核燃料為鈾A點撥

要熟練掌握課本知識.1、下列核反應中,表示核裂變的是（）A.B.C.D.課堂練習C點撥A為α衰變,B為β衰變,C為重核裂變,D為人工轉變.2、關于鈾核裂變,下列說法正確的是（）A.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的,但只能裂變成兩種不同的核B.鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子C.為了使裂變的鏈式反應容易進行,最好用純鈾235D.鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應無影響點撥

鏈式反應的發(fā)生條是鈾塊體積大于臨界體積.BC3、秦山核電站第一期工程裝機容量為30萬kW,如果1g鈾235完全裂變時產(chǎn)生的能量為8.2×1010J,并且假定產(chǎn)生的能量都變成了電能,那么,每年要消耗多少鈾235?（一年按365天計算）W=Pt=3×108×24×3600J=2.592×1013J.點撥每年的發(fā)電量W總=365W=9.46×1015J而1g鈾完全裂變時產(chǎn)生的能量8.2×1010J . 所以,每年消耗的鈾的量為m＝9.46×10158.2×1010Kg＝1.15×102解：核電站每天的發(fā)電量為教材習題答案

控制棒作用：控制棒由吸收能力很強的金屬鎘制成,將它插在鈾棒之間,可調(diào)節(jié)反應堆中的中子數(shù)目,從而控制鏈式反應快慢,使反應既不過分劇烈,又能按一定強度反應下去.1.慢化劑作用：裂變時產(chǎn)生的中子大都是快中子,慢化劑使他們減速,成為可誘發(fā)鈾235裂變的慢中子,從而維持鏈式反應.