第3章 5.核裂变

(1)核反应方程中的 ν 是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr) 的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为 235.049 3 u，中子质量为 1.008 7 u，钕(Nd)核质量 为 142.909 8 u，锆核质量为 89.904 7 u．又知 1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg 铀 235 大约能产生的能量是多少？
【答案】 AD
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2．链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是 ________.
【导学号：22482048】 【解析】 重核的裂变需要中子的轰击，在链式反应中，不断放出高速的 中子使裂变可以不断进行下去．
【答案】 中子
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3．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：29325U＋10n→16403Nd＋Zr＋310n ＋8－01e＋ν
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1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是( ) A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 B．铀核裂变在自然界中会自发地产生 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．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
核电站
[先填空] 1．核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆． 2．减速剂 反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂”， 常用的慢化剂有石墨 、重水和 普通水．
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3．控制棒 为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收 中子的能力 很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些 中子，链式反应的速 度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
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[再判断] 1．核反应堆可以人工控制核反应速度．(√) 2．减速剂的作用使快中子减速变成慢中子．(√) 3．链式反应一旦形成无法进行人工控制．(×)
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[后思考] 1．核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？
【提示】 控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进 一些镉棒，可以控制链式反应的速度．
【答案】 减速剂 冷却系统
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6．每昼夜消耗 220 g 铀 235 的原子能发电站，如果效率为 25%，它能产生 的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是 200 MeV)
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【解析】 一昼夜消耗的铀所能产生的核能为： ΔE＝200×222305×6.02×1023×106×1.6×10－19 J ＝1.8×1013 J， 电功率 P＝ηΔtE＝1.802×4×103136×0025% W ＝5.2×107 W.
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核裂变与链式反应
[先填空] 1．核裂变 重核被中子 轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能 的过程． 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型 的反应是29325U＋10n―→15464Ba＋8396Kr＋ 310n .
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【答案】 5.2×107 W
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1核电站释放的核能是一个个核反应释放核能积累的结果：E＝n·ΔE，ΔE ＝Δmc2，n＝Mmmol·NA.
2发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则 E 电＝ηE.
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学业分层测评（十二）
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部件名称
减速剂
控制棒 热循环介质 保护层
采用的材 石墨、重水或普 镉
料 通水(也叫轻水)
很厚的水泥外 水或液态钠
壳
作用
吸收中子， 把反应堆内
降低中子速度，
控制反应 的热量传输
便于铀 235 吸收
速度
出去
屏蔽射线，防 止放射性污染
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2.核反应堆与原子弹爆炸的比较 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反 应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设 施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
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【解析】 根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂 变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放 的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中； 在裂变反应中核子数是不会减少的，因此 A 正确，B、C 错误．重核裂变为中等 质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能， 所以 D 正确．
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3．裂变反应的能量：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．一个铀 235 核裂变时释放的能量如果按 200 MeV 估算，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产 生几百万度的高温．
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4．能量输出 核燃料裂变 释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反 应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
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5．核污染及防护 核废料具有强烈的 放射性 ，并且持续时间非常长．为保证核电站的安全， 新建的核电站设有核燃料芯块的密封包壳 、回路系统的 密封设施 及核电站 的安全壳．
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[后思考] 1．铀核的裂变是一种天然放射现象吗？ 【提示】 不是．铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象， 属于核反应． 2．铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？
【提示】 不是．铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯 一的．上Fra bibliotek页返回首页
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1．铀核的裂变和裂变方程 (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 或 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．
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3．链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变， 且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的 链式反应． 4．链式反应的条件 发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量 ．
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[再判断] 1．铀核的裂变是一种天然放射现象．(×) 2．铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．(√) 3．铀核裂变时能释放出多个中子．(√)
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(3)常见的裂变方程 ①29325U＋10n―→15349Xe＋9358Sr＋210n. ②29325U＋10n―→15464Ba＋8396Kr＋310n.
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2．链式反应的条件 (1)有慢中子轰击． (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量． 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
【答案】 (1)40 90 (2)8.3×1013 J
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重核裂变核能计算的方法 解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量 亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏伽德罗常数把核能与重核质 量联系起来；另外，在计算过程中要注意单位的统一．
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2．减速剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？ 【提示】 减速剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链 式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
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1．核电站的主要组成 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：
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4．(多选)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．铀棒的作用是控制反应堆的功率 D．石墨的作用是吸收中子
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【解析】 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，C 错误；
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1 kg 铀核产生的能量 E 总＝n·ΔE＝2.562×202.5×1024 MeV ≈5.2×1026MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J ≈8.3×1013 J.
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方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg ≈3.6×10－28 kg ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J＝3.24×10－11 J n＝1203050×6.02×1023 个≈2.562×1024 个 E 总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11 J≈8.3×1013 J.
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【解析】 (1)根据电荷数和质量数守恒，可得 Zr 的电荷数 Z＝92－60＋8＝40 质量数 A＝236－143－3×1＝90.
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(2)方法一：质量亏损 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u. 一个铀核裂变释放能量 ΔE＝Δm×931.5 MeV ＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg 铀核含有的原子核数为 n＝1203050×6.02×1023 个≈2.562×1024 个
知 识 点 一
学
业
5.核裂变
分 层
测 评
知 识 点 二
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学习目标 1.知道核裂变的概念，知道重核裂变 中能释放出巨大的能量．(重点) 2.知道什么是链式反应．(重点) 3.会计算重核裂变过程中释放出的能 量．(重点) 4.知道什么是核反应堆．了解常用裂 变反应堆的类型．(难点)
知识脉络
慢中子最容易引发铀核裂变，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 D 错误．
【答案】 AB
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5．原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成， 即原子燃料、________、________、控制调节系统.
【导学号：22482049】
【解析】 核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀 235；②减速剂，采 用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或 液态钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电．