2019-2020学年粤教版物理选修3-5新素养学案:第四章第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙 Word版含答案 下载本文

第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙

1.知道什么是反应堆,了解反应堆的工作原理. 2.知道什么是核电站,了解我

国核电站的发展.

3.了解物质世界的时间跨度和空间跨度.

一、反应堆

1.受控热核反应是人类对核聚变能量的利用. 2.核反应堆的建造是人类对核裂变能量的利用. 3.核反应堆是人工控制链式反应的装置.

核反应堆用天然铀或浓缩铀制成铀棒作为核燃料;用石墨、重水作为减速剂使中子减速;为调节中子数以控制反应速度需用镉棒作为控制棒;为控制反应堆的温度,需要用水、液体金属钠等流体作为冷却剂在反应堆内外循环流动,不断带走热能,同时可以用来输出热能加以利用;在反应堆外面修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线,将放射性废料装入特制的容器,埋入地层深处来处理.

(1)在核反应中,中子的速度越大越容易击中铀核.( ) (2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.( ) (3)核反应堆用过的核废料无毒无害.( )

提示:(1)× (2)√ (3)× 二、核电站 核能利用

1.核电站: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.

2.核能利用:发电,制造核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰,进行原子核物理实验,制造各种放射性同位素.

三、从小粒子到大宇宙——空间跨度

人类目前所能研究的物质世界的空间尺度,约从1015 m到1027 m,共跨越了大约42个数量级.

四、从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

物质世界的时间尺度,约从1025 s到1018 s,共跨越了将近43个数量级.

核电站

1.核电站是使原子核的链式反应在人工控制下进行,使释放的核能转化为内能,再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能,使核能为人类和平建设服务.

2.核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是浓缩铀235,它的主要部件列表如下:

采用的 材料 作用 慢化剂 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 控制棒 镉 热循环 介质 水或液态 钠 把反应堆内的热量传输出去 保护层 很厚的水泥外壳 屏蔽射线,防止放射性污染 降低中子速度,吸收中子,控制便于铀235吸收 反应速度 3.核电站发电的优点

(1)消耗的核燃料少,一座百万千瓦的核电站,一年只消耗浓缩铀30 t左右,而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤.

(2)对环境的污染要比火力发电小.

235U+1n→141Ba+92Kr+31n. 铀核裂变有多种形式,其中一种的核反应方程是 920 56360

235U、141Ba、92Kr、1n的质量分别为(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量.( 92 56360

235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931 MeV)

(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能?它相当于燃烧多少煤释放的能量?(煤的热值为2.94×107 J/kg)

(3)一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站,核能转化为电能的效率为η=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应,所用铀矿石中铀235的含量为4%,则该核电站一年消耗铀矿石多少吨?

[思路点拨] (1)计算释放的核能相当于燃烧多少煤,或需要多少铀时,先计算出一个铀核裂变放出的能量ΔE,ΔE乘以原子核数为放出的总能量E,再由E计算煤或铀的质量.

MM

(2)原子核数N==NA.

M核M摩[解析] (1)裂变反应的质量亏损为

Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×1.008 7) u=0.215 3 u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为 ΔE=0.215 3×931 MeV≈200.4 MeV. (2)1 kg铀235中含原子核的个数为 m103

N=NA=×6.02×1023≈2.56×1024个

MU235则1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 ΔEN=NΔE=2.56×1024×200.4 MeV≈5.13×1026 MeV 设q为煤的热值,m为煤的质量,有ΔEN=qm

26619

ΔEN5.13×10×10×1.6×10-

所以m== kg

q2.94×107

≈2 791.8 t.

EPt

(3)核电站一年的发电量E=Pt,需要的核能为=

ηη

0.04MNA

设所用铀矿石质量为M,则铀235的含量为0.04M,对应的原子核数

MUPt0.04M因=NΔE ηMUA

PtMU

则M=

0.04ηNAΔE=

109×365×24×60×60×235

0.04×40%×6.02×1023×200.4×106×1.6×10-19

g≈2.4×107 g=24 t.

[答案] (1)200.4 MeV (2)5.13×1026 MeV 2 791.8 t (3)24 t

核能的利用与环境保护

1.核原料提供的能量巨大,1 kg铀全部释放的能量大约相当于2 700 t标准煤燃烧放出的能量.地球上的一般常规能源都无法跟核能相比.除铀外,钍也是一种裂变材料,它比铀更丰富,如果能把钍利用起来,核电的发展前景将更为广阔.热核反应所需的氘如前所述更是储量丰富.核原料的运输和储存方便,如:一座100万千瓦核电站一年所需原料铀,只需6辆卡车就可全部运到现场.

核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘,有利于环境保护.

2.核电站为防止放射性物质的泄漏,一般有4道安全屏障:二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物,外面密封锆合金包壳,第三道是压力边界,第四道是安全壳.这些措施大大提高了核能利用的安全性.

对核废料先回收利用,剩下的废料就很少了,将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后,储存在地下浅层废料库,对高放射性的废料采用玻璃固化后,埋藏在深层废料库.加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性.

(多选)日本东海岸曾发生9.0级地震,地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电

站的冷却系统,最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏,向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质,这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家.有效防治核污染,合理、安全利用核能成为当今世界关注的焦点和热点.下列说法中正确的是( )

A.福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电 B.铯、碘、钡等衰变时释放能量,故会发生质量亏损

C.铯137进行β衰变时,往往同时释放出γ射线,γ射线具有很强的穿透能力,甚至能穿透几厘米厚的铅板

D.铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统,其半衰期是30.17年,如果将铯137的温度降低到0度以下,可以延缓其衰变速度

[解析] 核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的,而不是靠衰变,A错误.释放能量就一定有质量亏损,B正确.β衰变往往同时释放出γ射线,γ射线具有很强的穿透能力,