人教版高中物理选修2 3：核裂变和裂变反应堆-课件1.ppt

1、核裂变和裂变反应堆核裂变和裂变反应堆知识回顾知识回顾1441717281N+HeO+H941214260Be+HeC+n23892U23490Th42He23491Pa0-1eTh23490衰变衰变人工转变人工转变导入新课导入新课核电站中的核反应堆核电站中的核反应堆秦山核电站秦山核电站想了解它们吗？想了解它们吗？Let us go！教学目标教学目标1 1、知识与能力、知识与能力知道核裂变的概念，知道重核裂变中知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。能释放出巨大的能量。了解常用裂变反应堆的类型，了解核了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。电站及核能发电的优缺点。知道

2、什么是链式反应。知道什么是链式反应。2 2、过程与方法、过程与方法3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观通过对核子平均质量与原子序数关系通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养学生的逻辑推理能力及的理解，培养学生的逻辑推理能力及应用教学图像处理物理问题的能力。应用教学图像处理物理问题的能力。激发学生热爱科学、探求真理的激情，激发学生热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度。树立实事求是的科学态度。确立世界是物质的，物质是运动变化的，确立世界是物质的，物质是运动变化的，而变化过程必然遵循能量守恒的观点。而变化过程必然遵循能量守恒的观点。教学重难点教学重难点1 1、重点、重点2 2

3、、难点、难点链式反应及其释放核能的计算。链式反应及其释放核能的计算。重核裂变核反应方程式的书写。重核裂变核反应方程式的书写。通过核子平均质量与原子序数的关系，推通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较大的原子核分裂成质量理得出由质量数较大的原子核分裂成质量数较小的原子核释放能量这一结论。数较小的原子核释放能量这一结论。本节导航本节导航1、裂变和链式反应、裂变和链式反应2、核反应堆、核反应堆3、核电站、核电站 通过前面的学习，核反应中有些通过前面的学习，核反应中有些可以释放出能量，有些要吸收能量，可以释放出能量，有些要吸收能量，什么样的核反应会放出能量呢？什么样的核反应会放出能量呢？

4、想一想想一想 物理学家发现，不仅核子结合成原子时核物理学家发现，不仅核子结合成原子时核时有质量亏损，会放出核能，有些重核分裂成中时有质量亏损，会放出核能，有些重核分裂成中等质量的核时也会发生质量亏损，同时放出巨大等质量的核时也会发生质量亏损，同时放出巨大的核能。的核能。想一想想一想想一想，这又是为什么呢？想一想，这又是为什么呢？生成物生成物反应物反应物核反应示意图核反应示意图核子数核子数核子数核子数核子的平均质量核子的平均质量原子核质量原子核质量核子数核子数 精确的研究表明，原子核的质量虽然随着精确的研究表明，原子核的质量虽然随着原子序数原子序数Z的增大而增大，但是二者之间并不的增大而增大，但

5、是二者之间并不成正比关系。人们发现，不同的原子核，其核成正比关系。人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量）如下页的图。子的平均质量（原子核的质量）如下页的图。从图中可以看出，铁原子核中原子的平均从图中可以看出，铁原子核中原子的平均质量最小。如果原子序数较大的重核分裂成原质量最小。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小小一些的核子序数小小一些的核B和和C，或者原子序数很小，或者原子序数很小的轻核的轻核D、E结合成一个原子序数大些的结合成一个原子序数大些的F核，核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能。都会有质量亏损，都会放出巨大的核能。核子平均质量核子平均质量EDCBFAFeOZ

6、重核分裂成中等质量的核重核分裂成中等质量的核时，释放出核能的反应称为时，释放出核能的反应称为核核裂变裂变（nuclear fission）。）。名词解释名词解释 由于重核的不稳定性，有的重核会发生自发由于重核的不稳定性，有的重核会发生自发裂变，但这种裂变中核能释放的过程进行得极其缓裂变，但这种裂变中核能释放的过程进行得极其缓慢，功率很小。慢，功率很小。例如，在自发裂变情况下，例如，在自发裂变情况下，1g铀铀238要经过要经过45亿年才剩下亿年才剩下0.5g，再经过，再经过45亿年剩下亿年剩下0.25g如此如此缓慢地释放何能是毫无价值的。缓慢地释放何能是毫无价值的。想一想想一想怎样让释放的核能有

7、价值呢？怎样让释放的核能有价值呢？1939年年12月，德国科学家哈恩和月，德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变成钡和氪，同时典型的反应是裂变成钡和氪，同时放出三个中子。核反应方程为：放出三个中子。核反应方程为：哈恩哈恩235114192192056360U+nBa+Kr+3 nn n1 10 0U U2352359292BaBa1411415656KrKr92923636铀铀235的裂变的裂变 裂变时会释放出巨大的核能裂

8、变时会释放出巨大的核能。在上述裂变。在上述裂变的前后的质量亏损为的前后的质量亏损为m=0.35810-27kg释放的核能为释放的核能为E=mc2=201MeV 铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。一般说来，铀核裂变时平均每个核子释放的能量一般说来，铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为约为1MeV.可以估计，如果可以估计，如果1kg铀铀全部裂变，它放出的全部裂变，它放出的能量约为能量约为2000t优质煤优质煤完全燃烧时释放的能量。完全燃烧时释放的能量。一般说来，铀核裂变时总要释放出一般说来，铀核裂变时总要释放出23个中个中子，这些中子又引起其他的铀核裂变并释

9、放更多子，这些中子又引起其他的铀核裂变并释放更多的中子，这样裂变就会自动的不断进行下去，释的中子，这样裂变就会自动的不断进行下去，释放出越来越多的能量，这一过程称为链式反应放出越来越多的能量，这一过程称为链式反应（chain reaction）。）。中子中子中子中子铀铀235裂变裂变 如果不对链式反应进行控制，雪崩式的链如果不对链式反应进行控制，雪崩式的链式反应就会在瞬间发生，数量巨大的铀核在不式反应就会在瞬间发生，数量巨大的铀核在不到百万分之一秒内全部全部裂变会放出惊人的到百万分之一秒内全部全部裂变会放出惊人的能量，并形成剧烈爆炸。能量，并形成剧烈爆炸。原子弹原理原子弹原理原子弹爆炸原子弹爆

10、炸原子弹原子弹 怎样想办法让链式反应中释放的怎样想办法让链式反应中释放的巨大能量为我们所用而又不引发爆炸巨大能量为我们所用而又不引发爆炸呢？呢？想一想想一想 我们应该让链式反应中产生的核能稳定释放，我们应该让链式反应中产生的核能稳定释放，必须控制链式反应进行的速度。必须控制链式反应进行的速度。核反应堆核反应堆（nuclear reactor）是一种实现可控）是一种实现可控链式反应的装置，它可以使堆内的链式反应以一链式反应的装置，它可以使堆内的链式反应以一定的强度进行下去，从而稳定的释放核能。定的强度进行下去，从而稳定的释放核能。1945年，世界上那个第一个实验核反应堆建年，世界上那个第一个实验

11、核反应堆建成。成。核反应堆的类型多种多样，根据核反应堆的类型多种多样，根据反应堆的反应堆的工作原理工作原理，主要分为以下两类：，主要分为以下两类：慢中子反应堆慢中子反应堆目前广泛应用的目前广泛应用的实用核反应堆实用核反应堆快中子增快中子增殖反应堆殖反应堆目前正在研究和目前正在研究和试验的核反应堆试验的核反应堆 慢中子反应堆慢中子反应堆 堆中的核反应主要是堆中的核反应主要是铀铀235吸收慢中子后吸收慢中子后发生的裂变。发生的裂变。第一，铀裂变时产生的中子大都为快中子，第一，铀裂变时产生的中子大都为快中子，而铀而铀235易俘获慢中子而不易俘获快中子。因此，易俘获慢中子而不易俘获快中子。因此，需用慢

12、化剂使裂变中放出的快中子减速，成为需用慢化剂使裂变中放出的快中子减速，成为可以诱发铀可以诱发铀235裂变的慢中子（又称热中子），裂变的慢中子（又称热中子），从而维持链式反应。从而维持链式反应。常用的常用的减速剂减速剂有轻水（普有轻水（普通水）、重水或石墨通水）、重水或石墨。根据所用慢化剂的不同。根据所用慢化剂的不同。反应堆可以分为反应堆可以分为轻水堆、重水堆、石墨堆轻水堆、重水堆、石墨堆等。等。反应堆主要通过以下两个方面来控制链式反应堆主要通过以下两个方面来控制链式反应。反应。第二，用吸收中子能力很强的第二，用吸收中子能力很强的镉镉做成控制做成控制棒，将它们插入铀棒之间。用棒，将它们插入铀棒之

13、间。用控制棒调节反应堆控制棒调节反应堆中的中子数目，从而控制链式反应的速度中的中子数目，从而控制链式反应的速度，使反，使反应既不会过分剧烈，又能以一定强度进行下去。应既不会过分剧烈，又能以一定强度进行下去。反应堆内外循环流动的冷却剂将裂变产生反应堆内外循环流动的冷却剂将裂变产生的热传输出去。常用的的热传输出去。常用的冷却剂冷却剂有轻水、重水和液有轻水、重水和液态金属钠。态金属钠。用普通水做慢化剂和冷却剂的轻水堆又分为用普通水做慢化剂和冷却剂的轻水堆又分为沸水堆和压水堆沸水堆和压水堆。慢中子反应堆结构示意图慢中子反应堆结构示意图水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减

14、速剂堆芯堆芯由燃料棒、控制棒和慢化剂组成由燃料棒、控制棒和慢化剂组成反射层反射层把外逸的中子反射回堆层把外逸的中子反射回堆层水泥防护层水泥防护层屏蔽堆中放出的各种射线屏蔽堆中放出的各种射线注意注意 a 建造核反应堆时要特别注意的建造核反应堆时要特别注意的问题是防止放射线和放射性物质的泄问题是防止放射线和放射性物质的泄露，以伤害人体、污染环境。露，以伤害人体、污染环境。b 核反应堆中使用过的核废料仍然具有很强的核反应堆中使用过的核废料仍然具有很强的放射性，必须装入特制的容器，深埋地下。放射性，必须装入特制的容器，深埋地下。快中子增殖反应堆快中子增殖反应堆为了更充分的利用天然铀资源。为了更充分的利

15、用天然铀资源。目的目的每每“烧烧”掉一个裂变核可以产生一个以上掉一个裂变核可以产生一个以上的新的燃料核。的新的燃料核。特点特点核裂变中产核裂变中产生的快中子生的快中子维持链式反应维持链式反应被铀被铀238吸收吸收变成铀变成铀239两次两次衰变衰变变成钚变成钚239 钚钚239也是一种可裂变的核燃料。在快中子增也是一种可裂变的核燃料。在快中子增殖反应堆中，钚殖反应堆中，钚239产生的速度大于铀产生的速度大于铀235消耗的消耗的速度，结果核燃料中可裂变产物会越来越多，由速度，结果核燃料中可裂变产物会越来越多，由此将天然铀资源的利用率提高到此将天然铀资源的利用率提高到60%70%。相。相当于可利用的

16、天然铀资源增加了当于可利用的天然铀资源增加了60 70倍。倍。还可以用还可以用钍钍232代替上述的铀代替上述的铀238经历同样反应经历同样反应后变为后变为铀铀233。铀铀233也是一种可裂变的核燃料。快中子增殖也是一种可裂变的核燃料。快中子增殖反应堆可以利用除铀以外的钍燃料和其他反应堆反应堆可以利用除铀以外的钍燃料和其他反应堆中用过的核废料。中用过的核废料。热交换器热交换器蒸汽轮机蒸汽轮机发电机发电机蒸汽蒸汽冷凝器冷凝器水水泵泵泵泵冷却剂冷却剂水泥防护层水泥防护层 原子原子反应堆反应堆核电站原理示意图核电站原理示意图 在第一循环回路中，高压和高温的水霸堆芯在第一循环回路中，高压和高温的水霸堆芯

17、的热量传到蒸汽发生器中，使第二循环回路中的的热量传到蒸汽发生器中，使第二循环回路中的水汽化。高压水蒸气再推动汽轮发电机组发电，水汽化。高压水蒸气再推动汽轮发电机组发电，这部分与火力发电厂基本相同。这部分与火力发电厂基本相同。核电站消耗的核燃料很少，一座百万千瓦级核电站消耗的核燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗约的核电站，每年只消耗约30t浓缩铀，而同样功率浓缩铀，而同样功率的火电站，每年只消耗约的火电站，每年只消耗约2.5106t煤。煤。优点优点经济效益方面，不在火电站之下。经济效益方面，不在火电站之下。对环境的污染比火电站小。对环境的污染比火电站小。课堂小结课堂小结1、裂变和链式反

18、应、裂变和链式反应 重核分裂成中等质量的核，释放出核能重核分裂成中等质量的核，释放出核能的反应称为的反应称为核裂变核裂变。n n3 3KrKrBaBan nU U1 10 09292363614114156561 10 02352359292 理解理解链式反应链式反应。2、核反应堆、核反应堆 核反应堆是一种核反应堆是一种可控链式反应可控链式反应的装置。的装置。3、核电站、核电站 核电站利用核能发电，其核心设施为核核电站利用核能发电，其核心设施为核反应堆。反应堆。与火电站相比，与火电站相比，对环境污染小对环境污染小。根据工作原理，核反应堆可分为根据工作原理，核反应堆可分为慢中子慢中子反应堆和反应

19、堆和快快中子增殖反应堆。中子增殖反应堆。高考链接高考链接1.(06天津天津)一个一个 原子核在中子的轰击下发生一种原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为如下，则下列叙述可能的裂变反应，其裂变方程为如下，则下列叙述正确的是（正确的是（）U U2352359292n n2 2SrSrX Xn nU U1 10 0949438381 10 02352359292D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少成物的总质量数减少C因为裂变时释放能量，根据因为裂变时释放能量，根据E=mc2，所以裂，所以裂变后的总质量数增加变后的总质量

20、数增加BX原子核中含有原子核中含有 141个核子个核子 AX原子核中含有原子核中含有 86个中子个中子A2.(06全国全国1卷卷)某原子核某原子核 吸收一个中子后，放出吸收一个中子后，放出一个电子，分裂为两个一个电子，分裂为两个粒子。由此可知粒子。由此可知()D.A=8，Z=4C.A=8，Z=3B.A=7，Z=4A.A=7，Z=3XAZHeHe2 2e en nX X4 42 20 01 1-1 10 0A AZ Z点拨点拨 裂变前后裂变前后质量数和电荷数质量数和电荷数守恒，故守恒，故CD错。错。X的质子数为的质子数为54，质量数为，质量数为140，则中子数为，则中子数为86，故，故B错错A对

21、。对。A点拨点拨裂变前后裂变前后质量数和电荷数质量数和电荷数守恒。守恒。3.(06北京北京)目前核电站利用的核反应是目前核电站利用的核反应是()D聚变，核燃料为氘聚变，核燃料为氘C裂变，核燃烧为氘裂变，核燃烧为氘B聚变，核燃烧为铀聚变，核燃烧为铀A裂变，核燃料为铀裂变，核燃料为铀A238234492902UThHe2351141921920563603UnBaKrn941214260BeHeCn14140671CNe课堂练习课堂练习C点拨点拨 A为为衰变，衰变，B为为衰变，衰变，C为重为重核裂变，核裂变，D为人工转变。为人工转变。点拨点拨 链式反应的发生条是铀块体积链式反应的发生条是铀块体积大

22、于临界体积。大于临界体积。BC 3、秦山核电站第一期工程装机容量为、秦山核电站第一期工程装机容量为30万万kW，如果，如果1g铀铀235完全裂变时产生的能量为完全裂变时产生的能量为8.21010 J，并且假定产生的能量都变成了电能，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀那么，每年要消耗多少铀235?（一年按（一年按365天计算）天计算）W=Pt=3108243600 J=2.5921013J.点拨点拨每年的发电量每年的发电量W总总=365W=9.461015J而而1g铀完全裂变时产生的能量铀完全裂变时产生的能量8.21010J.所以，每年消耗的铀的量为所以，每年消耗的铀的量为m9.4610158.21010Kg1.15102解：核电站每天的发电量为解：核电站每天的发电量为