上海高二物理10核能及其利用

东方教育学科教师辅导讲义讲义编号：授课班级：年级：高二课时数：3学员姓名：辅导科目：物理学科教师：学科组长签名及日期剩余天数课题核能及其利用授课时间：备课时间：教学目标知道核能的概念；知道重核裂变是获取核能的有效途径之一；知道链式反应和产生链式反应的条件；知道反应堆、核电站的基本构成和基本原理；知道核能在能源、军事、生命科学领域的应用。

重点、难点重点：链式反应及其产生条件以及反应堆、核电站的基本构成。

难点：对核能产生的理解。

考点及考试要求1.重核裂变可获取核能（知道）；2.链式反应及其产生条件（知道）；3.反应堆、核电站的基本构成（知道）；4.核能的应用（知道）。

教学内容知识梳理（一）核能的概念由于原子核内的核子间存在着强大的核力，核结构发生变化时，需要克服核力做功，或者核力对外做功，这就会涉及能量的变化。

原子核的结构发生变化时放出的能量，叫做核能。

（二）重核的裂变重核受到其它粒子（如中子）轰击时分裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称为裂变。

右图为铀核裂变的示意图。

注：1.所谓的重核，就是质量数较大的原子核。

2.在重核发生裂变时，会放出中子，并释放大量的能量。

因此，重核裂变是获取核能的一个重要途径。

（三）链式反应1.概念重核裂变时放出的中子引起其它重核的裂变，可以使裂变不断进行下去，这种反应就是链式反应。

如下图所示。

2.发生条件：铀块的体积不小于它的临界体积。

注：①所谓临界体积，就是能够发生链式反应的铀块的最小体积。

②如果铀235的体积超过临界体积，只要有中子进入，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，发生猛烈的爆炸。

原子弹就是根据这个原理制成的。

（四）反应堆1.概念：用人工方法控制核裂变链式反应速度并获得核能的装置，叫做反应堆。

2.基本构成：主要由核燃料棒（铀棒）、控制棒（镉棒）、减速剂（水）、冷却系统（水）、和防护层等构成，如右图所示。

控制棒的作用是吸收中子，将它抽出或插进反应堆，可以加快、减慢或停止链式反应。

进入反应堆内部的水，一方面作为减速剂（降低中子运动速度），另一方面作为冷却剂，将反应产生的能量带走。

3.用途：①发电；②作为火箭、飞机、潜艇、航空母舰等的动力装置；③淡化海水、生产放射性同位素；④利用堆内中子生产裂变物质钚等。

（五）核电站1.概念：利用反应堆中的核燃料裂变放出的核能转变为电能的发电厂，叫做核电站。

2.基本构成：由核岛、常规岛及配套设施组成。

核岛主要包括反应堆和蒸汽发生器，常规岛主要包括汽轮机和发电机，如左下图所示。

3.核电是经济、安全、干净的能源。

为了安全，防止放射性物质和辐射的泄漏，核电站设置了四道屏障，如右上图所示。

第一道，作为核燃料的二氧化铀陶瓷芯块，能将绝大部分的裂变产物留在芯块内；第二道，性能相当好的锆合金燃料包壳，把芯块密封在壳内；第三道，压力壳；第四道，防辐射泄漏的安全壳。

四道屏障同时失效的可能性极小的。

典例精析1.原子核的链式反应可以在人工控制下进行，从而实现了_______的可控释放。

实验可控的条件是控制引起链式反应的_______的数目，方法是在核反应堆的__________之间插入一些镉棒，镉具有吸收_______的能力，当将镉棒插得深一些时，就能更多的_____________，从而使链式反应的速度慢下来，这种镉棒也叫__________。

2.下列核反应中，表示核裂变的是（ ）A．C．吸收放射性物质的作用 D．吸收反应发出的射线的作用4.镉棒在反应堆中所起的作用（）A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度的快慢5.关于我国现已建成的核电站，下列说法中正确说法是（）A．发电的能量来自于天然放射性元素衰变放出的能量B．发电的能量来自于重核裂变放出的能量C．当控制棒插入反应堆的深度增大时链式反应速度加快D．当控制棒插入反应堆的深度减小时链式反应速度减慢材料补充核裂变能核能的成就虽然首先被应用于军事目的，但其后就实现了核能的和平利用，其中最重要也是最主要的是通过核电站来发电。

核电站已跻身电力工业行列，是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置，通过核反应堆实现核能与热能的转换。

核反应堆的种类，按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。

由于热中子更容易引起铀235的裂变，因此热中子反应堆比较容易控制，大量运行的就是这种热中子反应堆。

这种反应堆需用慢化剂，通过它的原子核与快中子弹性碰撞，将快中子慢化成热中子。

早在本世纪50年代初，人类开始开发利用核能，诞生了核电站。

经过30多年的发展，核电已是世界公认的经济实惠、安全可靠的能源。

截至1993年12月31日，全世界已有34个国家或地区的422座（堆）核电站正在运行，总装机容量为3.56235亿千瓦；正在建造的核电站有61座（堆），总装机容量为5586.6万千瓦。

全世界1993年全年核发电总量为21817679GWh，核发电量占世界总发电量的17％以上。

世界核电厂一览表见下表。

国家或地区堆数正在运行总功率（MW）堆数正在建造总功率（MW）总计堆数总计总功率（MW）至1993年总发电量（GWh）阿根2101517453176086924廷比75756－－75756515760利时1657226183327515146巴西保637602200085760－加利亚21250195032200－中国65144－－65144373600中国台湾省2022529－－20225291762961德国42400－－42400258318芬兰56603574606460664213395919法国29（35）140901120030（36）152901305690英国920355117514321087892印度－－2260022600－伊朗48396416588754455282500910日本加2216713－－22167131118343大1150－－1150－哈萨克斯坦97616546001412216432156韩国古－－28802880－巴23000－－23000－立陶宛167516752135015217墨西哥2538－－253876967荷兰巴1137－－11376992基斯坦－－5350053500－罗马尼亚俄2921242656003526842－罗斯瑞1210386－－1210386889258典瑞53141－－53141351484斯417604176083520－洛伐克斯1664－－166450050洛尼亚西97400－－97400550212班牙21930－－2193085467南非417822196263744－捷克1513818660002119818－乌克兰41840－－41840－匈牙利109104809676501151124597938413美国422（428）356235615586648342110121817679总计资料来源：德国《原子经济》，1994年3月。

核能是能源的重要发展方向，特别在世界能源结构从石油为主向非油能源过渡的时期，核能、煤炭和节能被认为是解决能源危机的主要希望。

为此，各国都在大力发展核电。

然而特别令人担心的是，根据目前探明的有经济开采价值的铀矿储量，如果继续按现有速度建造眼下的热中子堆核电站，由于它只能利用铀资源的1％～2％，则要不了50年，经济可采的铀矿也会耗尽。

如果到那时，还不能脱离核裂变能利用的初级阶段，人类将可能面临新的能源危机。

在能源新挑战面前，核科学家早已在寻找应战的武器，这就是已经过40多年研究开发的快中子增殖堆（简称快堆）核电站。

有了它，相当于把铀资源的利用率提高了50～60倍，那样能源的供应将出现新的奇迹，在今后上千年内，人类完全可以靠快堆发电，保证有富足的能源可用。

快堆的最显著的特点是直接靠核裂变产生的快速飞行的中子来维持链式裂变反应。

它以钚-239作燃料，“炉膛”里不设慢化剂，只有冷却剂（钠或氦）。

在快堆中，每“烧掉”一个钚-239原子，能够使铀-238吸收中子后新生产出1.4个钚-239原子，这样在快堆中就出现了神话般的奇迹——核燃料越“烧”越多。

这就是所谓的核燃料的增殖过程。

快堆开动起来之后，会不断地有铀-238吸收中子变成钚-239，经过一段时间后（例如15～20年），人们可以队“烧”过的核燃料“灰烬”中，提取出足以装备与自身功率一样大的新堆所需要的钚燃料，在此期间，快堆电站只要继续添加热堆中不能作燃料的铀-238贫料，而所得的电能却比热堆核电站还要多。

人们把快堆誉为能发电的“核燃料生产厂”。

快堆实际上是核电站家族中资格最老的成员。

早在1951年8月，美国建成了世界上第一座实验快堆，而且成功地作了发电试验。

虽然当时它的电功率只有200千瓦。

可它却是世界上最先问世的快堆核电站。

30多年来，一些工业发达的国家（如美、英、法、前苏联、日本和德国），投入大量人力、物力，耗资几十亿美元来发展快堆。

目前，全世界总共有21座快堆。

其中在运行的有13座，正在建造的有4座，计划建造的有7座。

原型快堆已经成功地运行了十年多，已经证明快堆在技术上是可以实现的，增殖核燃料也是可能的（凤凰快堆的增殖比为1：15）。

现在电功率为120万千瓦的大型商业验证快堆正在法国运行。

快堆技术已经走出了实验室的大门，正走向工业化应用的康庄大道。

家庭作业1.关于裂变反应，下列说法中正确的是（）A．用中子轰击铀核发生裂变，一定分裂为质量差不多的两块B．铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C．铀核发生裂变时可能产生二、三或四部分D．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应2.当一个重核裂变时，它所产生的两个核（）A.含有的质子数较裂变前重核的质子数减少B.含有的中子数较裂变前重核的中子数少C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D.可能是多种形式的两个核的组合3.为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法（）A．铀块可分制成任何的体积B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C．通过减速剂将产生的中子减速D．用镉棒可作为减速剂使中子减速4.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要有哪四部分组成( )A．核燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．核燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．核燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统D．核燃料、中子源、核能聚存系统和输送系统。