高中物理第四章原子核46核能利用47小粒子与大宇宙教学案粤教版5

第六节核能利用

第七节小粒子与大宇宙

[目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度．

一、反应堆

1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主要由以下几部分组成：

(1)燃料：铀棒；

(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂；

(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．

2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．

3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．

4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理．

二、核电站、核能利用

1．核电站

利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．

2．核能利用

(1)核力发电；

(2)核动力；

(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．

三、小粒子与大宇宙

1．从小粒子到大宇宙——空间跨度

(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界．

(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级．2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

(1)宇宙的年龄的数量级：1018_s.

(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.

(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1 问题2 问题3

一、核反应堆

裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：

组成部分 材料 作用 裂变材料 (核燃料) 浓缩铀(235

92U) 提供核燃料

慢化剂 (减速剂) 石墨、重水 和普通水 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速

度 反射层 石墨 阻止中子逃逸

热交换器

水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机

发电

防护层

金属套和 钢筋混凝土

防止射线对人体及其他生物体

的侵害

在重水中可与2

1H 核碰撞减速，在石墨中与12

6C 核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析

解析 设中子质量为m n ，靶核质量为m ，由动量守恒定律得：m n v 0＝m n v 1＋mv 2 由能量守恒得：12m n v 02＝12m n v 12

＋12mv 22

解得v 1＝

m n －m

m n ＋m

v 0， 在重水中靶核质量m H ＝2m n

v 1H ＝m n －m H m n ＋m H v 0＝－13

v 0，

在石墨中靶核质量m C ＝12m n ，

v 1C ＝m n －m C m n ＋m C v 0＝－1113

v 0

与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．

借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．

(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零．

针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( ) A ．使用浓缩铀 B ．改变铀块的临界体积

C ．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数

D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 答案 C

解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目． 二、核电站的工作原理

核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．

铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．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，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，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，这就叫链式反应．

原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．

在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：

图1

铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成．石墨(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒

的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．

【例2】 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．

(1)核反应方程式235

92U ＋1

0n ―→141

56Ba ＋92

36Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，1

0n 为中子，X 为待求粒子，a 为X 的个数，则X 为________，a ＝__________.以m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235

92U 、141

56Ba 、92

36Kr 的质量，m n 、m p 分别表示中子、质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝________.

(2)有一座发电能力为P ＝1.00×106

kW 的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE ＝2.78×10－11

J ，铀核的质量m U ＝390×10

－27

kg ，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的235

92U 的质

量．

答案 (1)1

0n 3 (m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2

(2)1 104 kg

解析 (1)由反应方程可知：X 为1

0n ，a 为3， 释放的能量为ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2

. (2)因核电站发电效率为40 %， 故核电站消耗235

92U 的功率为

P ′＝P

40 %＝1.00×106

40 % kW ＝2.5×106 kW.

核电站每年消耗235 92U 的能量为

W ＝P ′t ＝2.5×109×3.15×107 J ＝7.875×1016 J

产生这些能量消耗的铀核的数目： n ＝W

ΔE ＝7.875×1016

J 2.78×10－11

J ≈2.83×1027

(个) 每年消耗235

92U 的质量为

M ＝nm U ＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.

针对训练2 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．

(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．

①完成核裂变反应方程式：

235 92

U ＋10n→( )Xe ＋9438Sr ＋21

0n ＋200 MeV