資源簡介

第4節　核裂變與核聚變
(分值：100分)
選擇題1～9題，每小題8分，共72分。
對點題組練
題組一　核裂變的發現　反應堆與核電站
1.下列核反應中屬于裂變反應的是(　　)
O＋n→N＋H
Si＋H→P＋n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
Ra→Rn＋He
2.據悉我國第四代反應堆核能系統—釷基熔鹽堆核能系統研究已獲重要突破。該系統是以釷作為核燃料，釷核Th俘獲一個中子后經過兩次β衰變可得到核燃料鈾233。鈾核U的一種典型裂變產物是氪Kr和鋇Ba，同時釋放出巨大能量。下列說法正確的是(　　)
釷核Th有90個中子，142個質子
釷核俘獲一個中子后經過兩次β衰變的核反應方程是Th＋n→U
產生U的核反應方程是Th→U＋2e
鈾核裂變反應方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n
3.核電站是利用反應堆釋放出的能量將水變成高溫高壓的水蒸氣來推動汽輪發電機發電的。反應堆的核反應方程式為U＋n→Xe＋X＋10n，其中U、n、Xe、X的質量分別為m1、m2、m3、m4，真空中光速為c，以下說法正確的是(　　)
X原子核中含有中子數為52
該反應質量虧損Δm＝m1－m3－m4
該反應釋放的能量為(m1－10m2－m3－m4)c2
U的比結合能大于Xe的比結合能
4.(2024·湖北武漢重點高中高二下期末)我國自主研發的“玲瓏一號”核反應堆，是全球最小的商用核反應堆，核反應方程為U＋n→Ba＋Kr＋3n＋γ，反應產物Ba會發生β衰變。已知核U、Ba、Kr和n的質量分別是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u，1 u為1.66×10－27 kg，真空中的光速c＝3×108 m/s。則下列說法正確的是 (　　)
核反應方程中的x＝57，y＝89
U核的比結合能小于Ba核的比結合能
Ba的衰變方程為Ba＋n→X＋e
一個U核裂變放出的核能約為3.2× 10－10 J
題組二　核聚變
5.(多選)下列關于核聚變的說法中，正確的是(　)
要使核聚變發生，必須克服庫侖斥力做功
輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此輕核聚變又叫熱核反應
原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應
太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行
6.(人教版教材P125T7改編)太陽就是一個巨大的熱核反應堆，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，不斷地放出能量。太陽的總輸出功率約為3.8×1026 W，太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。已知光速為3×108 m/s，估算太陽每秒失去質量的數量級為(　　)
106 kg 109 kg 1012 kg 1015 kg
7.已知氘核的比結合能為1.1 MeV，氦核的比結合能為7.1 MeV，則兩個氘核結合成一個氦核時(　　)
釋放出4.9 MeV的能量 吸收4.9 MeV的能量
吸收24.0 MeV的能量 釋放出24.0 MeV的能量
綜合提升練
8.鈾核裂變的產物是多樣的，一種典型的情形是生成鋇和氪，同時放出3個中子，核反應方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n，以下說法正確的是(　　)
該反應質量數守恒，沒有質量虧損
U的中子數比Ba的多91個
U的比結合能比Ba的大
Ba的結合能比Kr的大
9.“嫦娥五號”在月球采集的約2千克月壤中含有地球上鮮有的He，He是地球上很難得到的清潔、安全和高效的核聚變發電燃料，被科學家們稱為“完美能源”。有關He的聚變反應方程如下：
①H＋H→He＋X＋3.3 MeV；
②He＋He→He＋2Y＋12.86 MeV。
下列說法正確的是(　　)
X為質子，Y為中子
He的比結合能比He的比結合能大
方程①中，質量虧損約為5.9×10－31 kg
方程②中，每個核子平均釋放的能量約為2.14 MeV
10.(10分)我國可控核聚變技術已經走在了世界前列，“東方超環”是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，又被稱為“人造太陽”。其原理是讓海水中大量存在的氘和氚原子在高溫高密度條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的能源。氘核(H)和氚核(H)結合成氦核(He)時，要放出某種質量m＝1.008 7 u的粒子，同時釋放出能量。已知氘核質量m氘＝2.014 1 u，氚核質量m氚＝3.016 0 u，氦核質量m氦＝4.002 6 u，根據愛因斯坦的質能方程可知1 u相當于931.5 MeV＝1.49×10－10 J，阿伏加德羅常數NA＝6.0×1023 mol－1，氘核的摩爾質量M氘＝2 g·mol－1。
(1)(5分)寫出該核聚變反應的核反應方程式，并計算一次核聚變反應中釋放的核能(保留2位有效數字)；
(2)(5分)未來建設一座應用此反應的熱核發電站，若該發電站的功率P＝5×108 W，計算理論上該發電站一年(3.15×107 s)大約需要多少千克的氘。
培優加強練
11.(18分)太陽內部持續不斷地發生著四個質子聚變為一個氦核同時放出兩個正電子的熱核反應，這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源。已知質子質量為mH＝1.007 3 u，氦核質量為mHe＝4.001 5 u，電子質量為me＝0.000 55 u，1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(1)(6分)寫出這個核反應方程；
(2)(6分)這一核反應能釋放多少能量？
(3)(6分)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質量為多少千克？
第4節　核裂變與核聚變
1.C　[核裂變反應是指重核在粒子的轟擊后變成兩個中等質量的核并釋放能量的反應，O和Si都不是重核，故A、B錯誤；U＋n→Ba＋Kr＋3n是重核的裂變，故C正確；Ra→Rn＋He是原子核的衰變，不是裂變，故D錯誤。]
2.D　[釷核Th有90個質子，232－90＝142個中子，A錯誤；釷核俘獲一個中子后經過兩次β衰變的核反應方程是Th＋n→U＋2e，故B、C錯誤；根據質量數守恒與電荷數守恒可知，鈾核裂變的核反應方程為U＋n→Kr＋Ba＋3n，D正確。]
3.A　[根據質量數守恒和電荷數守恒可得X的質量數為A＝235＋1－136－10＝90，電荷數為Z＝92－54＝38，所以X的中子數為90－38＝52，故A正確；質量虧損Δm＝m1－9m2－m3－m4，根據質能方程可得釋放的核能為(m1－9m2－m3－m4)c2，故B、C錯誤；比結合能越大原子核越穩定，由于核反應的過程中釋放熱量，生成物比反應物更穩定，則U的比結合能小于Xe的比結合能，故D錯誤。]
4.B　[根據質量數守恒和電荷數守恒可知核反應方程中的x＝56，y＝92，故A錯誤；核反應的生成物比反應物更穩定，而比結合能越大原子核越穩定，可知核的比結合能小于Ba核的比結合能，故B正確；根據題意可知，Ba會發生β衰變，因此其衰變方程為Ba→＋e，故C錯誤；根據愛因斯坦的質能方程有ΔE＝Δmc2＝(235.043 9 u＋1.008 7 u－140.913 9 u－91.897 3 u－3×1.008 7 u)c2，解得ΔE≈3.2×10－11 J，故D錯誤。]
5.ABC　[輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，故A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度能夠通過原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，但在地球內部不會自發地進行，故D錯誤。]
6.B　[由愛因斯坦質能方程E＝mc2，結合功率公式P＝，可得m＝ kg≈4.2×109 kg，B正確。]
7.D　[兩個氘核結合成一個氦核的核反應方程為H＋H→He＋γ，2個H的總結合能為E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV，反應后生成的氦核的結合能為E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV，所以反應過程釋放的核能ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24.0 MeV，故A、B、C錯誤，D正確。]
8.D　[核反應中質量數守恒，但此反應釋放核能，有質量虧損，故A錯誤；的中子數為143，的中子數為88，中子數相差55，故B錯誤；重核裂變生成物的原子核更穩定，比結合能更大，故C錯誤；核子數越多，結合能越大，故D正確。]
9.D　[根據質量數守恒和電荷數守恒可得，X為中子(n)，Y為質子(H)，A錯誤；由方程②可知，由于該核反應釋放出核能，所以生成物比反應物更穩定，比結合能更大，故He的比結合能比He的比結合能大，B錯誤；方程②中，每個He含有三個核子，所以平均每個核子釋放的能量約為E＝ MeV＝2.14 MeV，D正確；根據質能方程ΔE＝Δmc2可得，方程①中質量虧損Δm＝＝ kg＝5.9×10－30 kg，C錯誤。]
10.(1)H＋H→He＋n　2.8×10－12 J　(2)18.75 kg
解析　(1)該核反應方程式為H＋H→He＋n
反應中的質量虧損為
Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)＝0.018 8 u
則ΔE＝0.018 8×1.49×10－10 J＝2.8×10－12 J。
(2)該發電站一年產生的電能E＝Pt
代入數據解得E＝1.575×1016 J
理論上該發電站一年需要的氘的質量m總＝×10－3
代入數據解得m總＝18.75 kg。
11.(1)4H→He＋2e　(2)24.78 MeV　(3)4.22×109 kg
解析　(1)由題意可得核反應方程應為4H→He＋2e。
(2)反應前后質量虧損Δm＝4mH－mHe－2me＝0.026 6 u，由質能方程得，釋放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
(3)由質能方程ΔE＝Δmc2得太陽每秒減少的質量
Δm′＝＝ kg＝4.22×109 kg。第4節　核裂變與核聚變
學習目標　1.知道什么是核裂變。 2.知道鏈式反應及鏈式反應的條件，并能計算裂變釋放的核能。 3.了解裂變反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度以及核電站的工作模式。 4.知道什么是聚變反應，會計算核聚變中釋放的核能。
5.了解可控熱核反應及其研究和發展。
知識點一　核裂變的發現
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。你知道巨大的核能是從哪里來的嗎？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.核裂變：鈾核在被　　　　轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊，這類核反應定名為核裂變。
2.鈾核的裂變
（1）鈾核受激發：當中子進入鈾235后，使核處于激發狀態，由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀。
（2）鈾核分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2～3個中子。
（3）核能的釋放：裂變中比結合能變大，因而釋放核能。
（4）常見的裂變方程
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
3.鏈式反應
（1）定義：由重核裂變產生的中子使核裂變反應　　　　　　繼續下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應。
（2）臨界體積和臨界質量：把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作臨界質量。
（3）條件
①有足夠數量的慢中子轟擊。
②鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質量大于臨界質量。
4.核裂變的能量：重核裂變為中等質量的原子核、發生質量虧損，所以　　　　能量。
如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于　　　　　標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
【思考】
　如圖所示為核裂變示意圖。
（1）重核裂變是一種天然現象嗎？
（2）只要有中子轟擊鈾塊就可以發生鏈式反應嗎？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
角度1　對核裂變的理解
例1 關于重核的裂變，以下說法正確的是（　　）
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應
C.重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少
D.由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2.重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能比中等質量的核的平均結合能小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。　　　　
角度2　裂變產生核能的計算
例2 用中子轟擊鈾核（U），其中的一個可能反應是分裂成鋇（Ba）和氪（Kr）兩部分，放出3個中子。各個核和中子的質量如下（計算結果保留到小數點后兩位）：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152. 604 7×10－27 kg。
（1）試寫出該核反應方程；
（2）求出反應中釋放的核能；
（3）我國第一座核電站——秦山核電站總裝機容量達到650萬千瓦，若該核電站中發生的反應為（1）中反應，則秦山核電站一年需要消耗多少千克的鈾核（U）？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
鈾核裂變釋放核能的計算
（1）首先算出裂變反應中發生的質量虧損Δm。
（2）根據ΔE＝Δmc2計算釋放的核能。
（3）若計算一定質量的鈾塊完全裂變時放出的核能，應先算出鈾塊中有多少個鈾核（設為n），則鈾塊完全裂變釋放的核能E＝nΔE。　　　　
知識點二　反應堆與核電站
1.核電站：利用核能發電，它的核心設施是　　　　　　，它的主要組成部分：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) _______ (濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑(慢化劑) _______、_______或普通水(也叫輕水) 使裂變產生的快中子減速
控制棒 _______ 吸收中子，控制反應速度
熱交換器 水或液態的_______ 傳輸熱量
防護層 厚_______層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
2.工作原理
（1）核燃料發生　　　　　　釋放能量，使反應區溫度升高。
（2）能量輸出：水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外　　　　　　，把反應堆內的　　　　傳輸出去，用于　　　　，同時也使反應堆冷卻。
3.核污染的處理
在反應堆的外面需要修建很厚的　　　　　　，用來屏蔽核裂變產物放出的各種射線。核廢料具有很強的　　　　　　，需要裝入特制的容器，　　　　　　。
【思考】
　核電站發電有哪些優點？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例3 如圖為普通核反應堆的結構示意圖，通過鈾235鏈式反應實現核能的可控釋放。下列關于核反應堆工作中的說法正確的是（　　）
A.正常運行的反應堆，水泥防護層外能檢測到大量α粒子
B.中子速度越快越容易發生鏈式反應
C.通過改變鎘棒的插入深度來控制反應速度
D.鈾核裂變時釋放能量的多少與生成物種類無關
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
訓練 （多選）原子核的鏈式反應可以在人工控制下進行，如圖所示的核反應堆可實現核能的釋放，圖中鈾棒為核燃料，鈾棒周圍要放“慢化劑”，鎘棒又叫控制棒，反應堆外圍還有一層水泥防護層。關于鏈式反應和核反應堆，下列說法正確的是 （　　）
A.鏈式反應是指由重核裂變產生的電子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程
B.要使鏈式反應持續進行，核燃料必須達到臨界體積
C.為了加快核反應速度，可以將鎘棒插入淺一些
D.“慢化劑”可實現減緩核反應速度的目的
知識點三　核聚變
萬物生長靠太陽（如圖），太陽在我們日常生活中是不可替代的，它提供給地球足夠的能源，如果說太陽一旦沒有了，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？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.核聚變
（1）定義：兩個輕核結合成　　　　　　的核，并釋放出　　　　的反應。
（2）舉例：H＋H→　　　　＋n＋17.6 MeV。
（3）條件：要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到　　　　m 以內，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的　　　　　　，這就要求原子核具有足夠的動能。
獲得足夠動能的辦法，就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達　　　　開爾文，因此核聚變又叫　　　　　　。
（4）應用：目前，人工產生的熱核反應主要用在核武器上，那就是　　　　，需要用　　　　　　爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
（5）太陽能：太陽的主要成分是　　　　。太陽的中心溫度達1.6×107 K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部　　　　　　釋放的核能。
2.受控熱核反應
（1）核聚變的優點：第一，輕核聚變產能效率高。第二，地球上核聚變燃料氘儲量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。
（2）核聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。
（3）控制方法
①磁約束：利用磁場來約束參加反應的物質，目前性能最好的一種磁約束裝置是　　　　　　。
②慣性約束：核聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用高能量密度的　　　　或X射線從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應。
【思考】
　發生核聚變需要什么條件？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例4 （2023·天津卷，3）關于太陽上進行的核聚變，下列說法正確的是（　　）
A.核聚變需要在高溫下進行
B.核聚變中電荷不守恒
C.太陽質量不變
D.太陽上進行的核反應為U＋n→Ba＋Kr＋3n
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例5 （2024·浙江1月選考）已知氘核質量為2.014 1 u，氚核質量為3.016 1 u，氦核質量為4.002 6 u，中子質量為1.008 7 u，阿伏加德羅常數NA取6.0×1023 mol－1，氘核摩爾質量為2 g·mol－1，1 u相當于931.5 MeV。關于氘與氚聚變成氦，下列說法正確的是（　　）
A.核反應方程式為H＋H→He＋n
B.氘核的比結合能比氦核的大
C.氘核與氚核的間距達到10－10 m就能發生核聚變
D.4 g氘完全參與聚變釋放出能量的數量級為1025 MeV
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
隨堂對點自測
1.（反應堆與核電站）如圖是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法正確的是（　　）
A.鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
B.快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應
C.控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D.要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些
2.（重核裂變）鈾原子核既可發生衰變，也可發生裂變。其衰變方程為U→Th＋X，裂變方程為U＋n→Y＋Kr＋3n，其中U、n、Y、Kr的質量分別為m1、m2、m3、m4，光在真空中的傳播速度為c。下列敘述正確的是（　　）
A.U發生的是β衰變
B.Y原子核中含有56個中子
C.若提高溫度，U的半衰期將會變小
D.U裂變時釋放的能量為（m1－2m2－m3－m4）c2
3.（核聚變）（2023·湖南卷，1）2023年4月13日，中國“人造太陽”反應堆中科院環流器裝置（EAST）創下新紀錄，實現403秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，為可控核聚變的最終實現又向前邁出了重要的一步，下列關于核反應的說法正確的是（　　）
A.相同質量的核燃料，輕核聚變比重核裂變釋放的核能更多
B.氘氚核聚變的核反應方程為H＋H→He＋e
C.核聚變的核反應燃料主要是鈾235
D.核聚變反應過程中沒有質量虧損
第4節　核裂變與核聚變
知識點一
導學　提示　鈾核的裂變
知識梳理
1.中子　3.(1)一代接一代　4.放出　2 800 t
[思考] 提示　(1)重核裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積，才會發生鏈式反應。
例1 D　[核裂變過程是核能轉化為其他形式能的過程，釋放的能量遠大于俘獲中子時得到的能量，A錯誤；發生鏈式反應是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰不到原子核，則不會發生鏈式反應，B錯誤；重核裂變時，核子數不變，C錯誤；由于重核的核子平均質量大于中等質量的核子平均質量且核子數不變，則重核裂變時，有質量虧損，放出核能，D正確。]
例2 (1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)3.22×10－11 J
(3)2.48×103 kg
解析　(1)根據電荷數守恒、質量數守恒可知，核反應方程為
U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(2)核反應前后的質量虧損Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝0.357 8×10－27 kg
反應中釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J。
(3)秦山核電站一年需要消耗鈾核的質量
m＝×390.313 9×10－27 kg
≈2.48×103 kg。
知識點二
1.反應堆　鈾棒　石墨　重水　鎘棒　水　金屬鈉　水泥
2.(1)核裂變　(2)循環流動　熱量　發電　3.水泥層　放射性　深埋地下
[思考] 提示　(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染比火力發電小。
例3 C　[正常運行的核反應堆主要的輻射有γ輻射和中子輻射，所以水泥防護層外不可能檢測到大量α粒子，故A錯誤；中子速度越快越不容易使鏈式反應發生，故B錯誤；利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，通過改變鎘棒的插入深度，從而改變中子的數量來控制反應速度，故C正確；核裂變釋放的能量與反應前后質量虧損有關，鈾核裂變時會因產物種類不同導致質量虧損不同，釋放能量不同，故D錯誤。]
訓練 BC　[鏈式反應是指由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程，A錯誤；核燃料需達到臨界體積才能使中子有足夠大的概率打中某個鈾核，發生持續的核反應，B正確；鎘棒可以吸收中子，當插入淺一些時，吸收中子的數量減少，鏈式反應的速度會加快，C正確；“慢化劑”使快中子變為慢中子，被鈾核俘獲，使鏈式反應進行下去，不能減緩反應速度，D錯誤。]
知識點三
導學　提示　來源于太陽內部的核聚變反應
知識梳理
1.(1)質量較大　能量　(2)He　(3)10－15　庫侖斥力　幾百萬
熱核反應　(4)氫彈　原子彈　(5)氫　核聚變
2.(3)①環流器　②激光
[思考] 提示　需要足夠大的能量使輕核間的距離達到10－15 m。
例4 A　[因為高溫時原子核的熱運動劇烈，使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生聚變，故聚變反應也叫熱核反應，需要在高溫下進行，A正確；由于核反應過程遵循質量數守恒以及電荷數守恒，因此核聚變中電荷數是守恒的，即電荷也是守恒的，B錯誤；輕核聚變釋放出巨大的能量，由愛因斯坦質能方程可知核聚變存在質量虧損，所以太陽進行核聚變時，其質量減小，C錯誤；太陽上進行的是核聚變，而U＋n→＋3n是重核的裂變反應，D錯誤。]
例5 D　[核反應方程式為H＋H→He＋n，故A錯誤；氘核的比結合能比氦核的小，故B錯誤；氘核若與氚核發生核聚變，它們間的距離須達到10－15 m以內，故C錯誤；一個氘核與一個氚核聚變反應質量虧損Δm＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7) u＝0.018 9 u，聚變反應釋放的能量是ΔE＝Δm×931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全參與聚變釋放出能量E＝×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，數量級為1025 MeV，故D正確。]
隨堂對點自測
1.B　[快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應，故選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，故選項C、D錯誤。]
2.D　[根據核反應過程中質量數守恒、電荷數守恒，知X為氦原子核，故U發生的是α衰變，A錯誤；Y的質量數A＝235＋1－89－3＝144，電荷數Z＝92－36＝56，由原子核的組成可知，Y原子核中含有56個質子，中子數為144－56＝88，B錯誤；半衰期與溫度、壓強等外界因素無關，C錯誤；由于核裂變的過程中釋放能量，根據愛因斯坦質能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正確。]
3.A　[相同質量的核燃料，輕核聚變要比重核裂變質量虧損更多，根據愛因斯坦質能方程可知，輕核聚變放出的核能更多，A正確，D錯誤；根據核反應過程中質量數守恒和電荷數守恒可知，氘氚核聚變的產物之一為中子，而不是電子，B錯誤；鈾235為核裂變的主要燃料，C錯誤。](共63張PPT)
第4節　核裂變與核聚變
第五章　原子核
1.知道什么是核裂變。 2.知道鏈式反應及鏈式反應的條件，并能計算裂變釋放的核能。 3.了解裂變反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度以及核電站的工作模式。 4.知道什么是聚變反應，會計算核聚變中釋放的核能。 5.了解可控熱核反應及其研究和發展。
學習目標
目 錄
CONTENTS
知識點
01
隨堂對點自測
02
課后鞏固訓練
03
知識點
1
知識點二　反應堆與核電站
知識點一　核裂變的發現
知識點三　核聚變
知識點一　核裂變的發現
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。你知道巨大的核能是從哪里來的嗎？
提示　鈾核的裂變
1.核裂變：鈾核在被______轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊，這類核反應定名為核裂變。
2.鈾核的裂變
(1)鈾核受激發：當中子進入鈾235后，使核處于激發狀態，由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀。
(2)鈾核分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2～3個中子。
中子
3.鏈式反應
(1)定義：由重核裂變產生的中子使核裂變反應_______________繼續下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應。
(2)臨界體積和臨界質量：把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作臨界質量。
(3)條件
①有足夠數量的慢中子轟擊。
②鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質量大于臨界質量。
一代接一代
4.核裂變的能量：重核裂變為中等質量的原子核、發生質量虧損，所以_________能量。
如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于___________標準煤完全燃燒時釋放的化學能。
放出
2 800 t
【思考】
如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以發生鏈式反應嗎？
提示　(1)重核裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積，才會發生鏈式反應。
D
角度1　對核裂變的理解
例1 關于重核的裂變，以下說法正確的是(　　)
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應
C.重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少
D.由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
解析　核裂變過程是核能轉化為其他形式能的過程，釋放的能量遠大于俘獲中子時得到的能量，A錯誤；發生鏈式反應是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰不到原子核，則不會發生鏈式反應，B錯誤；重核裂變時，核子數不變，C錯誤；由于重核的核子平均質量大于中等質量的核子平均質量且核子數不變，則重核裂變時，有質量虧損，放出核能，D正確。
1.重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2.重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能比中等質量的核的平均結合能小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。　　　　
解析　(1)根據電荷數守恒、質量數守恒可知
(2)核反應前后的質量虧損
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg
＝0.357 8×10－27 kg
反應中釋放的核能為
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J
≈3.22×10－11 J。
鈾核裂變釋放核能的計算
(1)首先算出裂變反應中發生的質量虧損Δm。
(2)根據ΔE＝Δmc2計算釋放的核能。
(3)若計算一定質量的鈾塊完全裂變時放出的核能，應先算出鈾塊中有多少個鈾核(設為n)，則鈾塊完全裂變釋放的核能E＝nΔE。　　　　
知識點二　反應堆與核電站
1.核電站：利用核能發電，它的核心設施是_________，它的主要組成部分：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) ______(濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑(慢化劑) ______、______或普通水(也叫輕水) 使裂變產生的快中子減速
控制棒 ______ 吸收中子，控制反應速度
熱交換器 ___或液態的_________ 傳輸熱量
防護層 厚______層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
反應堆
鈾棒
石墨
重水
鎘棒
水
金屬鈉
水泥
2.工作原理
核裂變
(1)核燃料發生_________釋放能量，使反應區溫度升高。
(2)能量輸出：水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外____________，把反應堆內的______傳輸出去，用于______，同時也使反應堆冷卻。
循環流動
熱量
發電
3.核污染的處理
水泥層
在反應堆的外面需要修建很厚的_________，用來屏蔽核裂變產物放出的各種射線。核廢料具有很強的_________，需要裝入特制的容器，____________。
放射性
深埋地下
【思考】
核電站發電有哪些優點？
提示　(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染比火力發電小。
C
例3 如圖為普通核反應堆的結構示意圖，通過鈾235鏈式反應實現核能的可控釋放。下列關于核反應堆工作中的說法正確的是(　　)
A.正常運行的反應堆，水泥防護層外能檢測到大量α粒子
B.中子速度越快越容易發生鏈式反應
C.通過改變鎘棒的插入深度來控制反應速度
D.鈾核裂變時釋放能量的多少與生成物種類無關
解析　正常運行的核反應堆主要的輻射有γ輻射和中子輻射，所以水泥防護層外不可能檢測到大量α粒子，故A錯誤；中子速度越快越不容易使鏈式反應發生，故B錯誤；利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，通過改變鎘棒的插入深度，從而改變中子的數量來控制反應速度，故C正確；核裂變釋放的能量與反應前后質量虧損有關，鈾核裂變時會因產物種類不同導致質量虧損不同，釋放能量不同，故D錯誤。
BC
訓練 (多選)原子核的鏈式反應可以在人工控制下進行，如圖所示的核反應堆可實現核能的釋放，圖中鈾棒為核燃料，鈾棒周圍要放“慢化劑”，鎘棒又叫控制棒，反應堆外圍還有一層水泥防護層。關于鏈式反應和核反應堆，下列說法正確的是 (　　)
A.鏈式反應是指由重核裂變產生的電子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程
B.要使鏈式反應持續進行，核燃料必須達到臨界體積
C.為了加快核反應速度，可以將鎘棒插入淺一些
D.“慢化劑”可實現減緩核反應速度的目的
解析　鏈式反應是指由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程，A錯誤；核燃料需達到臨界體積才能使中子有足夠大的概率打中某個鈾核，發生持續的核反應，B正確；鎘棒可以吸收中子，當插入淺一些時，吸收中子的數量減少，鏈式反應的速度會加快，C正確；“慢化劑”使快中子變為慢中子，被鈾核俘獲，使鏈式反應進行下去，不能減緩反應速度，D錯誤。
知識點三　核聚變
萬物生長靠太陽(如圖)，太陽在我們日常生活中是不可替代的，它提供給地球足夠的能源，如果說太陽一旦沒有了，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　來源于太陽內部的核聚變反應
1.核聚變
質量較大
(1)定義：兩個輕核結合成____________的核，并釋放出______的反應。
(3)條件：要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到______ m 以內，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的____________，這就要求原子核具有足夠的動能。
能量
10－15
庫侖斥力
獲得足夠動能的辦法，就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達_________開爾文，因此核聚變又叫____________。
(4)應用：目前，人工產生的熱核反應主要用在核武器上，那就是______，需要用_________爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
(5)太陽能：太陽的主要成分是___。太陽的中心溫度達1.6×107 K。在這樣的高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部_________釋放的核能。
幾百萬
熱核反應
氫彈
原子彈
氫
核聚變
2.受控熱核反應
(1)核聚變的優點：第一，輕核聚變產能效率高。第二，地球上核聚變燃料氘儲量豐富。第三，輕核聚變更為安全、清潔。
(2)核聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。
(3)控制方法
①磁約束：利用磁場來約束參加反應的物質，目前性能最好的一種磁約束裝置是_________。
②慣性約束：核聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用高能量密度的______或X射線從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應。
環流器
激光
【思考】
發生核聚變需要什么條件？
提示　需要足夠大的能量使輕核間的距離達到10－15 m。
A
例4 (2023·天津卷，3)關于太陽上進行的核聚變，下列說法正確的是(　　)
D
隨堂對點自測
2
B
1.(反應堆與核電站)如圖是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法正確的是(　　)
A.鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
B.快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成
慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應
C.控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入
淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D.要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些
解析　快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應，故選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，故選項C、D錯誤。
D
A
3.(核聚變)(2023·湖南卷，1)2023年4月13日，中國“人造太陽”反應堆中科院環流器裝置(EAST)創下新紀錄，實現403秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，為可控核聚變的最終實現又向前邁出了重要的一步，下列關于核反應的說法正確的是(　　)
解析　相同質量的核燃料，輕核聚變要比重核裂變質量虧損更多，根據愛因斯坦質能方程可知，輕核聚變放出的核能更多，A正確，D錯誤；根據核反應過程中質量數守恒和電荷數守恒可知，氘氚核聚變的產物之一為中子，而不是電子，B錯誤；鈾235為核裂變的主要燃料，C錯誤。
課后鞏固訓練
3
C
對點題組練
題組一　核裂變的發現　反應堆與核電站
1.下列核反應中屬于裂變反應的是(　　)
D
A
B
ABC
題組二　核聚變
5.(多選)下列關于核聚變的說法中，正確的是( 　)
A.要使核聚變發生，必須克服庫侖斥力做功
B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此輕核聚變又叫熱核反應
C.原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應
D.太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行
解析　輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，故A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度能夠通過原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，但在地球內部不會自發地進行，故D錯誤。
B
6.(人教版教材P125T7改編)太陽就是一個巨大的熱核反應堆，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，不斷地放出能量。太陽的總輸出功率約為3.8×1026 W，太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。已知光速為3×108 m/s，估算太陽每秒失去質量的數量級為(　　)
A.106 kg B.109 kg C.1012 kg D.1015 kg
D
7.已知氘核的比結合能為1.1 MeV，氦核的比結合能為7.1 MeV，則兩個氘核結合成一個氦核時(　　)
A.釋放出4.9 MeV的能量 B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量 D.釋放出24.0 MeV的能量
D
D
(1)寫出該核聚變反應的核反應方程式，并計算一次核聚變反應中釋放的核能(保留2位有效數字)；
(2)未來建設一座應用此反應的熱核發電站，若該發電站的功率P＝5×108 W，計算理論上該發電站一年(3.15×107 s)大約需要多少千克的氘。
反應中的質量虧損為Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)＝0.018 8 u
則ΔE＝0.018 8×1.49×10－10 J＝2.8×10－12 J。
(2)該發電站一年產生的電能E＝Pt
代入數據解得E＝1.575×1016 J
培優加強練
11.太陽內部持續不斷地發生著四個質子聚變為一個氦核同時放出兩個正電子的熱核反應，這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源。已知質子質量為mH＝1.007 3 u，氦核質量為mHe＝4.001 5 u，電子質量為me＝0.000 55 u，1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(1)寫出這個核反應方程；
(2)這一核反應能釋放多少能量？
(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質量為多少千克？
解析　(1)由題意可得核反應方程應為4H→He＋2e。
(2)反應前后質量虧損Δm＝4mH－mHe－2me＝0.026 6 u，由質能方程得，釋放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
(3)由質能方程ΔE＝Δmc2得太陽每秒減少的質量

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