第五節(jié)裂變和聚變核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解核裂變反應(yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。(2)了解核聚變反應(yīng)的條件。(3)知道核電站的工作模式?？茖W(xué)思維通過熱核反應(yīng)的條件，認(rèn)識熱核反應(yīng)可能的控制方法?？茖W(xué)探究探究核電站的組成，知道其工作原理?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)了解兩類核能應(yīng)用的利弊，關(guān)注技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。(2)感悟人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是不斷深入的，形成相對完整、科學(xué)的物質(zhì)觀念。一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．核裂變重核釋放中子中子中子裂變反應(yīng)最小較重能量10－15靜電斥力熱核反應(yīng)核反應(yīng)堆低小1.如圖所示，為鈾核裂變示意圖，請對以下說法作出判斷：(1)鈾核裂變是一種天然放射現(xiàn)象。

()(2)鈾核裂變的產(chǎn)物是固定的，就是生成鋇和氪，同時放出3個中子。

(

)(3)只有鈾塊的體積大于臨界體積時，才能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

()(4)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害。

(

)××√×2．萬物生長靠太陽，太陽在我們?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢商娲?，它提供給地球足夠的能源，太陽一旦沒有了，那么地球上的一切生物都將隨之消失。你知道太陽的能量來源嗎？提示：來源于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。3.

秦山核電站是我國自行設(shè)計、建造和運營管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站，地處浙江省海鹽縣。秦山核電站工程建設(shè)自1985年3月開工，1991年12月并網(wǎng)發(fā)電。秦山核電站的建成發(fā)電，使我國成為世界上第7個能夠自行設(shè)計、建造核電站的國家。請對以下說法作出判斷：(1)核原料與火力發(fā)電所用煤相比，便于運輸和儲存。

()(2)在核電站，核裂變釋放的大量核能可以直接用于發(fā)電。

(

)(3)核電站中控制核反應(yīng)速度用的是鎘做成的鎘棒。

()××√新知學(xué)習(xí)(一)|核裂變與核能計算[任務(wù)驅(qū)動]如圖為核裂變示意圖。(1)試寫出一種鈾核裂變的核反應(yīng)方程。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？提示：有慢中子轟擊鈾塊，鈾塊的體積大于臨界體積，這樣就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。新知學(xué)習(xí)(二)|核聚變的特點及應(yīng)用[重點釋解]1．核聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核間距達到核力發(fā)生作用的距離10－15m以內(nèi)，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。3．核聚變的特點(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。4．核聚變的作用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)的核廢料處理簡單得多項目重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕溆糜诤肆炎兊拟?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富，1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它/方法技巧/(1)核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。(2)核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。新知學(xué)習(xí)(三)|核電站的主要組成及工作原理[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示為核電站工作流程示意圖：核電站的核心設(shè)施是什么？提示：核反應(yīng)堆。

[重點釋解]1．核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要組成如表格：

慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥防護層作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2．反應(yīng)堆工作原理(1)

熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖。鈾棒是燃料，由天然鈾或者濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫輕水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒?？刂瓢舨迦肷钜恍?，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)的金屬鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。3．核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。[典例體驗][典例]

如圖所示是當(dāng)前核電站普遍使用的核反應(yīng)堆的示意圖，關(guān)于該反應(yīng)堆中進行的核反應(yīng)，下列說法中正確的是

(

)A．圖示裝置中進行的核反應(yīng)類型是核聚變B．要使核反應(yīng)速度減慢，可以將鈾棒插入得更深C．裂變反應(yīng)的燃料是鈾，反應(yīng)過程質(zhì)量不守恒D．石墨起到降低反應(yīng)溫度的作用[解析]

圖示裝置中進行的核反應(yīng)類型是核裂變，故A錯誤；將鈾棒插入得更深，中子接觸的鈾原子更多，反應(yīng)加劇，故B錯誤；裂變反應(yīng)的燃料是鈾，反應(yīng)過程發(fā)生質(zhì)量虧損，質(zhì)量不守恒，故C正確；石墨主要是將快中子變?yōu)槁凶?，故D錯誤。[答案]

C[針對訓(xùn)練]1．隨著時代的發(fā)展，能源危機逐漸形成，現(xiàn)在科學(xué)家正在努力尋找新能源。核能是現(xiàn)今比較普遍利用的能源之一，核電站利用核能發(fā)電是人類利用核能的重要手段。據(jù)你判斷，現(xiàn)已建成的核電站的能量來自

(

)A．天然放射性元素衰變放出的能量

B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量

D．化學(xué)反應(yīng)放出的能量解析：現(xiàn)已建成的核電站的能量來自重核裂變放出的能量，故C正確。答案：C

2．核反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成

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)A．原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能儲存系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)解析：核反應(yīng)堆里用的核燃料是用濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲慢中子，不易俘獲快中子，必須使用慢化劑(如石墨、重水、普通水)，讓快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制反應(yīng)速度，它是由鎘做成的置放在鈾棒之間的一些控制棒及計算機調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成；冷卻系統(tǒng)靠水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時使反應(yīng)堆冷卻，保證安全。答案：A

科學(xué)思維——太陽壽命的估算2．(選自魯科版新教材“物理聊吧”)太陽中發(fā)生的氫核聚變成氦核的反應(yīng)，是太陽輻射能量的來源。假定地球表面1m2接受能量的功率為1.4kW，地球到太陽的距離為1.5×1011m，太陽的質(zhì)量為2×1030kg，