第5节核_裂_变
1．定义
重核分裂为几个中等质量原子核的过程。
2．裂变常见的方程
U＋n―→Ba＋Kr＋3n
[特别提醒] 同一重核发生裂变时，产生的中等核可能不同。 1．链式反应
一个反应过程的产物能够再次引起这种反应，从而使反应一旦开始就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应。
2．临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积。
三、核电站
1．核电站
利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：燃料、慢化剂、控制棒。
2．工作原理
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．注重核污染的防护
1．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)铀核裂变时会吸收大量的能量。( )
(5)核能发电对环境的污染比火力发电要小。( )
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√
2．思考：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。
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。
(3)常见的裂变方程：
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
2．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
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。
4．铀的同位素中铀235最易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )
A．质子 B．中子
C．β粒子 D．α粒子
解析：选B 重核裂变链式反应发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，故选项B正确。
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分 | 材料 | 作用 |
裂变材料 (核燃料) | 浓缩铀(U) | 提供核燃料 |
慢化剂 (减速剂) | 石墨、重水或普通水 | 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 | 产生高温蒸气，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 |
| | |
2.如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是( )
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析：选B 快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能量
减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误。
[例1] 我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有4种说法：
①U原子核中有92个质子，有143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋2n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度，半衰期缩短
④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
以上说法中正确的是( )
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
[解析] 由U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故正确选项为D。
[答案] D
[例2] 利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大，目前，核能发电技术已经成熟，我国已经具备了发展核电的基本条件。
(1)核反应堆中的“燃料”是U，完成下面的核反应方程式，U＋n→Xe＋Sr＋
10n。
(2)一座100万千瓦的核电站，每年需要多少浓缩铀？已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶核质量为89.907 7 u。1 u＝1.66×10－27 kg，中子的质量为1.008 7 u，浓缩铀中铀235的含量占2%。(保留两位有效数字，NA＝6.02×1023 mol－1)
[解析] (1)U＋n→Xe＋Sr＋10n。
(2)核电站每年放出的热量Q＝Pt＝1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J
一个U裂变放出的热量ΔE＝Δmc2＝(235.043 9－89.907 7－135.907 2－9×1.008 7)×1.66×10－27×(3×108)2 J≈2.25×10－11 J
需要浓缩铀的质量m＝mU
＝×0.235 kg
＝2.7×104 kg。
[答案] (1)U＋n→Xe＋Sr＋10n
(2)2.7×104 kg
(1)裂变反应方程满足电荷数和质量数守恒。
(2)核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能的累加的结果，核反应次数n＝是以核能全部转化为电能为前提的。
1．下列说法正确的是( )
A．α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B．氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C．裂变反应有质量亏损，质量数不守恒
D．γ射线是一种波长很短的电磁波
解析：选D α粒子大角度散射现象说明原子中原子核很小，原子内部十分“空旷”，A错误；发生全反射的条件之一是光由光密介质向光疏介质中传播，故光从空气射入水中，不可能发生全反射，B错误；所有的核反应都遵循电荷数与质量数守恒，反应过程中，质量有亏损，C错误；γ射线是一种电磁波，且频率很高，波长很短，D正确。
2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
解析：选C 镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用其对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确。
3．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.U＋n→Sr＋Xe＋10n
B.Na→Mg＋e
C.N＋He→O＋H
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