第4节　核裂变与核聚变置

知识点归纳

知识点一、重核裂变及链式反应

1．裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核，释放出核能的反应．

2．铀核裂变：用中子轰击铀核，铀核发生裂变，铀核裂变的产物是多样的，其中最典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子．核反应方程式为：

U＋n→Ba＋Kr＋3n.

3．链式反应：当一个中子引发一个铀核裂变后，反应释放出的中子又轰击其他原子核产生裂变……，这样的反应一代接一代进行下去的过程，叫作裂变的链式反应．

4．临界体积和临界质量：通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．

5．发生链式反应的条件：裂变物质的体积必须大于或等于临界体积，或裂变物质的质量必须大于或等于临界质量．

知识点二、对重核裂变的分析

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)有慢中子轰击．

(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．

以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．

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比铀238更易发生链式反应．

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，且裂变的概率小．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.

知识点三、核电站

1．核电站的核心设施是核反应堆，核反应堆主要由以下几部分组成：

(1)燃料：浓缩铀235；

(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做减速剂；

(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，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．

2．核电站的工作原理．

在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆的示意图．

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，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀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．

核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水或液态钠做冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面．

知识点四、核聚变

1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10^－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．

2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．

3．核聚变的特点．

(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．

(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．

(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．

4．核聚变的应用．

(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．

(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．

典例分析

一、核裂变反应

例1  原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等．在下列核反应中，属于核裂变反应的是(　　)

A.B＋n→Li＋He                B.U→Th＋He

C.N＋He→O＋H               D.U＋n→Ba＋Kr＋3n

解析 由链式反应特点知：反应过程中由一个中子引发裂变，放出2～3个中子促成链式反应，故D正确．

答案 D

二、核电站

例2  铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应92U＋n→56Ba＋Kr＋3n，下列说法正确的有（　　）

A.上述裂变反应中伴随着中子放出

B.铀块体积对链式反应的发生无影响

C.铀核的链式反应可人工控制

D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响

解析 本题考查核裂变，半衰期，链式反应.根据题给裂变反应方程，可知上述裂变反应中伴随着中子放出，选项A正确.铀块体积对链式反应的发生有影响，只有铀块体积大于临界体积时才能发生链式反应，选项B错误.铀核的链式反应可人工控制，铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，选项C正确，选项D错误.

答案 AC

三、核反应的综合应用

例3  科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量．核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV.下列表述正确的有(　　)

A．X是中子

B．Y的质子数是3，中子数是6

C．两个核反应都没有质量亏损

D．氘和氚的核反应是核聚变反应

解析 在该核反应中，H＋H→He＋X＋17.6 MeV，根据电荷数守恒、质量数守恒，则X的电荷数为0，质量数为1，可知X是中子，故A正确．在X＋Y→He＋H＋4.9 MeV中，根据电荷数守恒、质量数守恒，Y的电荷数为3，质量数为 6，则Y的质子数为3，中子数为3，故B错误．两个核反应都释放能量，都有质量亏损，故C错误．两核反应均为核聚变反应，故D正确．

答案 AD

自我检测

1．一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)

A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc²，所以裂变后的总质量数增加

D．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

解析　X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．

答案　A

2．一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U＋n→Xe＋Sr＋10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m₁，锶90核的质量为m₂，真空中光速为c，则释放的能量E等于(　　)

A．(M－m₁－m₂)c²

B．(M＋m－m₁－m₂)c²

C．(M－m₁－m₂－9m)c²

D．(m₁＋m₂＋9m－M)c²

解析　铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m₁－m₂－10m＝M－m₁－m₂－9m，由质能方程可得E＝Δmc²＝(M－9m－m₁－m₂)c².

答案　C

3．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为H＋C→N＋Q₁，H＋N→C＋X＋Q₂.方程中Q₁、Q₂表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：

以下推断正确的是(　　)

A．X是He，Q₂  ＞Q₁            B．X是He，Q₂  ＞Q₁

C．X是He，Q₂  ＜Q₁            D．X是He，Q₂  ＜Q₁

解析　由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q₁和Q₂的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u，故Q₂＞Q₁.

答案　B

4．下列说法正确的是(　　)

A．裂变与衰变相同，也能自发进行

B．核反应堆中链式反应速度可人工控制

C．核电站用的核燃料必须是纯铀棒

D．核武器——原子弹，应用的是重核裂变

解析　裂变不能自发进行，A错误；核电站用的核燃料是铀棒，其成分是天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)，不是纯铀棒，C错误；镉棒控制核反应堆中链式反应速度，B正确；原子弹应用的是重核裂变，D正确。

答案　BD

5．当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　)

A．含有的质子数比裂变前重核的质子数少

B．含有的中子数比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

解析　由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子时得到的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确。

答案　BD

6．关于重核的裂变，以下说法中正确的是(　　)

A．一种重核只能存在一种裂变方式

B．一种重核可以有多种裂变方式

C．重核核子的平均质量比中等质量核的核子的平均质量大，因而裂变时，存在质量亏损，释放大量核能

D．中等质量核的核子平均质量比重核的核子平均质量大，因而裂变时存在质量亏损，释放大量核能

解析　一种重核可以有多种裂变方式，A错误，B正确；重核核子的平均质量比中等质量核的核子的平均质量大，C正确，D错误。

答案　BC

7．(综合)下列方程中，表示核裂变的是(　　)

A.U→Th＋He

B.U＋n→Ba＋Kr＋3n

C.6C→7N＋0_－1e

D.Be＋He→6C＋n

解析　裂变是重核分裂成中等质量的原子核的核反应，选项B正确。选项A为α衰变，选项C为β衰变，选项D为发现中子的人工核转变，A、C、D错误。

答案　B

8．人类通过链式反应来利用核能的方式有下列哪两类(　　)

A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子弹

B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹

C．利用可控制的慢中子链式反应，建成核反应堆

D．利用不可控制的慢中子链式反应，建成核反应堆

解析　原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能，A错误，B正确；核反应堆释放核能的速度是稳定的，利用可控制的慢中子链式反应建成，C正确，D错误。因此答案选B、C。

答案　BC

9．下列说法中正确的是(　　)

A．核能发电对环境的污染比火力发电要小

B．核能发电对环境的污染比火力发电要大

C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能

D．核能是非常清洁的能源，无任何污染

解析　目前核电站都用核裂变，核能是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A、C正确，B、D错误。

答案　AC

10．镉棒在核反应堆中的作用是(　　)

A．使快中子变慢中子

B．使慢中子变快中子

C．使反应速度加快

D．控制反应速度，调节反应速度的快慢

解析　在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，A、B错误；镉棒起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，C错误，D正确。

答案　D

11．一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m₁＝2.014 1 u，氚核质量为m₂＝3.016 0 u，氦核质量为m₃＝4.002 6 u，中子质量为m₄＝1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量，求：

(1)写出聚变的核反应方程；

(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？(结果在小数点后保留一位小数)

解析　(1)核反应方程为H＋H→He＋n.

(2)此反应过程的质量亏损为

Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 665 u＝0.018 835 u，

ΔE＝Δmc²＝0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV.

平均每个核子释放的核能为 MeV＝3.5 MeV.

答案　(1)H＋H→He＋n  (2)17.5 MeV　3.5 MeV