6.2核裂变和裂变反应堆

0 -1 4 2
X n e 2 He
裂变前后质量数和电荷数守恒。
3. (06北京)目前核电站利用的核反应是( A ) A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃烧为铀 C．裂变，核燃烧为氘 D．聚变，核燃料为氘 要熟练掌 握课本知识。
点拨
课堂练习
1、下列核反应中，表示核裂变的是（ C ）
A.
B. C. D. 点拨
②快中子增殖反应堆 目的 特点
为了更充分的利用天然铀资源。 每“烧”掉一个裂变核可以产生一个以上 的新的燃料核。 维持链式反应
核裂变中产 生的快中子
被铀238 吸收
变成铀239
两次 β衰变
变成钚239
钚239也是一种可裂变的核燃料。在快中子增 殖反应堆中，钚239产生的速度大于铀235消耗的 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60%～70 % 。相 当于可利用的天然铀资源增加了60 ～ 70倍。
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1、裂变和链式反应 2、核反应堆 3、核电站
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， 想一想 什么样的核反应会放出能量呢？
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 等质量的核时也会发生质量亏损，同时放出巨大 的核能。
想一想，这又是为什么呢？
核反应堆的类型多种多样，根据反应堆的 工作原理，主要分为以下两类：
慢中子反应堆 快中子增 殖反应堆 目前广泛应用的 实用核反应堆 目前正在研究和 试验的核反应堆
① 慢中子反应堆
堆中的核反应主要是铀235吸收慢中子后 发生的裂变。
反应堆主要通过以下两个方面来控制链式 反应。 第一，铀裂变时产生的中子大都为快中子， 而铀235易俘获慢中子而不易俘获快中子。因此， 需用慢化剂使裂变中放出的快中子减速，成为 可以诱发铀235裂变的慢中子（又称热中子）， 从而维持链式反应。常用的减速剂有轻水（普 通水）、重水或石墨。根据所用慢化剂的不同。 反应堆可以分为轻水堆、重水堆、石墨堆等。
238 92 14 6
235 92
9 4
U Th He C N e
234 90 14 7 4 2 0 1
U n
1 0
141 56
Ba Kr 3 n
92 36 1 0
4 1 Be 2 He 12 C 6 0n
A为α衰变，B为β衰变，C为重 核裂变，D为人工转变。
怎样让释放的核能有价值呢？
想一想
哈恩
235 92 1 0
1939年12月，德国科学家哈恩和 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 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 放出三个中子。核反应方程为：
141 56
U+ n
Ba + Kr + 3 n
92 36
核子平均质量
D E
F O
A C B Z
Fe 核子的平均质量与原子序数之间的关系
名词解释
重核分裂成中等质量的核 时，释放出核能的反应称为核 裂变（nuclear fission）。
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 慢，功率很小。 例如，在自发裂变情况下，1g铀238要经过45 亿年才剩下0.5g，再经过45亿年剩下0.25g……如此 缓慢地释放何能是毫无价值的。
想一想
核反应示意图
反应物
生成物
核子数
＝
核子数 原子核质量 核子数
核子的平均质量 ＝
精确的研究表明，原子核的质量虽然随着 原子序数Z的增大而增大，但是二者之间并不 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。
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 子序数小小一些的核B和C，或者原子序数很小 的轻核D、E结合成一个原子序数大些的F核， 都会有质量亏损，都会放出巨大的核能。
铀235裂变
中子
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 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。 原子弹原理
原 子 弹 爆 炸
原 子 弹
怎样想办法让链式反应中释放的 巨大能
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。 核反应堆（nuclear reactor）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 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 成。
还可以用钍232代替上述的铀238经历同样反应 后变为铀233。 铀233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 中用过的核废料。
热交换器
蒸汽轮机
蒸汽 水 泵 水泥防护层 冷却剂 泵
发电机
原子 反应堆
冷凝器
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 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， 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 的核电站，每年只消耗约30t浓缩铀，而同样功率 的火电站，每年只消耗约2.5×106t煤。
可以估计，如果1kg铀全部裂变，它放出的 能量约为2000t优质煤完全燃烧时释放的能量。
一般说来，铀核裂变时总要释放出2～3个中 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 放出越来越多的能量，这一过程称为链式反应 （chain reaction）。
中子
1 0
铀235的裂变
92 36
Kr
1 0
n
235 92
U
141 56
Ba
裂变时会释放出巨大的核能。在上述裂变 的前后的质量亏损为 △m=0.358×10-27kg 释放的核能为
△E=△m· c2=201MeV
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 约为1MeV.
慢中子反应堆结构示意图
控制棒——镉棒 燃料棒——铀棒 水泥防护层
减速剂
堆芯
由燃料棒、控制棒和慢化剂组成
反射层
水泥防护层
把外逸的中子反射回堆层
屏蔽堆中放出的各种射线 a 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 露，以伤害人体、污染环境。
注意
b 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。
3、情感态度与价值观
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。 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。
教学重难点
1、重点
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。
2、难点
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 数较小的原子核释放能量这一结论。
优点
经济效益方面，不在火电站之下。 对环境的污染比火电站小。
课堂小结
1、裂变和链式反应 ⑴ 重核分裂成中等质量的核，释放出核能
的反应称为核裂变。
⑵ 2 3 5U 1 n1 4 1Ba9 2Kr 3 1 n
92 0 56 36 0
⑶ 理解链式反应。
2、核反应堆
⑴ 核反应堆是一种可控链式反应的装置。 ⑵ 根据工作原理，核反应堆可分为慢中子 反应堆和快中子增殖反应堆。 3、核电站 ⑴ 核电站利用核能发电，其核心设施为核 反应堆。 ⑵ 与火电站相比，对环境污染小。
第二，用吸收中子能力很强的镉做成控制 棒，将它们插入铀棒之间。用控制棒调节反应堆 中的中子数目，从而控制链式反应的速度，使反
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
的热传输出去。常用的冷却剂有轻水、重水和液
态金属钠。
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。
教材习题答案
1.慢化剂作用：裂变时产生的中子大都是 快中子，慢化剂使他们减速，成为可诱发铀 235裂变的慢中子，从而维持链式反应。 控制棒作用：控制棒由吸收能力很强的金 属镉制成，将它插在铀棒之间，可调节反应堆 中的中子数目，从而控制链式反应快慢，使反 应既不过分剧烈，又能按一定强度反应下去。
核电站与火电站主要不同之处在于怎样获得推 动蒸汽轮机转动的高压水蒸汽。核电站的第一循 环回路是通过在反应堆内外循环流动的制冷剂。 例如高压的水把堆芯裂变产生的热传输堆外的蒸 汽发生器中。而火电中则燃料直接通过燃烧加热 锅炉中的水，产生高压水蒸气。 2. ⑴P=500×2MW+800MW=1800MW 核电站每天能提供的电能 W=Pt=1800MW×20h=36×106kWh. ⑵反应堆中核燃料每天释放的能量为 W/30%=12×107kWh.
裂 变 反 应 堆
和
核 裂 变
第 二 节
教学目标
1、知识与能力
知道核裂变的概念，知道重核裂变中 能释放出巨大的能量。 知道什么是链式反应。 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。
2、过程与方法
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 应用教学图像处理物理问题的能力。
知识回顾
238 92
U
234 90
衰变
Th ＋ 4 He 2
0 Pa ＋ -1
234 90
14 7
Th
234 91
e
4 1 N+ 2 He 17 O + 8 1H
人工转变
9 4
Be + He C + n