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沪科版高中物理选修（3－5）第5章5.2《裂变及其应用》课件

上传时间: 2014-08-17

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5．2　裂变及其应用

核心要点突破

课堂互动讲练

课前自主学案

知能优化训练

5．2

课标定位

学习目标：1.知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化．

2．了解铀核的裂变特点，知道链式反应．

3．了解裂变反应堆的结构、类型及核电站的工作原理．

重点难点：链式反应及其释放核能的计算．

裂变

二、链式反应及其条件

铀核裂变时释放出的几个中子又轰击其他铀核产生裂变，释放出的中子又轰击重原子核……，这样的反应一代接一代的进行下去的过程，叫做裂变的____反应．通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做____体积，相应的质量叫做____质量．

链式

临界

三、裂变反应堆

1．裂变反应堆的基本构造：________(核燃料)，______(减速剂)，______，______，________，防护层．

2．裂变反应堆的常见类型：______，高温气冷堆，快中子增殖反应堆．

裂变材料

慢化剂

控制棒

反射层

热交换器

重水堆

3．核电站的工作模式：核电站主要由裂变反应堆，第一回路系统，第二回路系统及其他辅助系统组成．如图5－2－1.

图5－2－1

思考感悟

为什么发生链式反应的铀块必须具有一定的体积？

提示：235U被中子碰撞后发生裂变，裂变时又生成2～3个中子，若铀块的体积不够大，生成的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，所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积．

一、铀核的裂变和链式反应

1．发现：1938年12月，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．

2．裂变的解释

(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2～3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)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，裂变时能产生几万度的高温．

3．重核裂变的条件

(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．

(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应．

(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

1．关于铀核裂变，下述说法正确的是(　　)

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应容易进行，最好使用纯铀235

D．铀块的体积对产生链式反应无影响

解析：选BC.铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块并释放出几个中子，铀235受到中子的轰击时裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变；而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小．引起链式反应，必须使铀块体积超过临界体积．故B、C选项正确．

二、核电站及其组成部分的功能

核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用：

1．核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)，制成铀棒作为核燃料，释放核能．

2．中子慢化剂：铀235具有易俘获慢中子、不易俘获快中子的特点，而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用慢化剂使它们的速度降下来，常用作慢化剂的物质有石墨、重水或普通水．

3．控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制反应速度．

4．保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去．

5.热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去．

6．核电站的优点：(1)消耗的“燃料”很少；(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大；(3)对环境的污染比火电站要小．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

2．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，它主要由四部分组成(　　)

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．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.通过学习，我们知道核反应堆的构成分四部分：原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统．

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．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小

D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能

【思路点拨】　由链式反应发生有条件及释放能量与质量亏损关系进行判定．

【精讲精析】　发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，但其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积太小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生，故A、B均错．

在裂变反应中核子数是不会减小的，铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减小的，因此选项C错．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，要发生质量亏损，从而释放出核能，故选项D正确．

【答案】　D

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．

【思路点拨】　根据裂变反应遵循电荷数和质量数守恒可确定X和a，再由ΔE＝Δmc2求裂变释放的核能，注意这个结果只是一个铀核裂变时释放的．

由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(3×108)2J

＝3.2202×10－11J.

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