第六节 核裂变
一、选择题（多选）
111. 铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是23592U＋0n→14456Ba＋8030Kr＋30n.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 答案：AC
解析：由质量数守恒可知有3个中子放出，故A正确．铀块的体积和纯度都对链式反应的发生产生影响，故B错误．核反应堆的铀核链式反应可人工控制，放射性元素的半衰期由核本身决定，故C正确，D错误．
2.国家重大科技专项示范项目CAP1400核电站,将于2013年在山东荣成石岛湾开工建设。核电站与火电站相比较,其优势在于( )
A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量 B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭 C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站 D.核电站比火电站更容易建造 答案:ABC
解析:核电站与火电站相比,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,D错误。 3.核电站的核能来源于U核的裂变,下列说法中正确的是( ) A.U原子核中有92个质子、143个中子
BU的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核,如Xe和 Sr,反应方程式为Xe+Sr+n CU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
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D.反应后的核废料已不具有放射性,不需要进一步处理 答案:AB
解析:根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知A、B正确,特别注意的是,由于重核裂变的可能性很多,只要满足这两个条件,即发生了分裂,都是可能反应中的一种;半衰期不会因为温度变化而变化,C错误;核裂变的核废料有强烈的放射性,必须深埋处理,D错误。
4.下面是铀核裂变反应中的一个为U+n→Xe+Sr+1n,已知铀235的质量为235.043 9 u,中子的质量为1.008 7 u,锶90的质量为89.907 7 u,氙136的质量为135.907 2 u,则此核反应中( ) A.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2) u
B.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7) u
C.释放总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×(3×108)2 J D.释放总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×931.5 MeV 答案:BD
解析:质量亏损是反应物与生成物之差,差值可用“u”或“kg”作单位,前者直接用1 u的亏损放出931.5 MeV的能量计算,后者核能的单位是J。
5.为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2024年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断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．现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D．现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核裂变释放大量的原子能 答案：AC
解析：目前，核电站都用核裂变，其原料是轴，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错误。 二、填空题
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1.原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由_______、__________、__________、_____________四部分组成。
答案: 原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
解析:通过学习,我们知道核反应堆的构成分四部分:原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统。 2.裂变反应中释放出的能量来自于_________________________. 答案: 原子核的比结合能变大,释放出能量
解析:发生核反应过程中,能量来自于原子核内部,因重核分裂为中等质量的核时,比结合能增加而释放出能量.
3.铀是常用的一种核燃料,若它的原子核发生了如下的裂变反应:n→a+b+n，则a+b可能是______. 答案: XeSr
解析:根据电荷数守恒和质量数守恒可知。
4.一个U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U+n→Sr+n,则X原子核中含有个________中子. 答案: 86
解析:X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140,中子数为140-(92-38)=86.
5.核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水,这些水除了起冷却作用外还起了____. 答案: 使中子减速的作用
解析:铀235的特点是更容易吸收慢中子而发生裂变,在反应堆中减速剂的作用就是减小快中子能量从而更易让铀235吸收裂变,核反应堆中一般采用石墨、重水或普通水作减速剂(慢化剂)。 三、实验题
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是U+Nd+Zr+n+e+
(1)核反应方程中的是中微子,它不带电,质量数为零,试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数; (2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u,中子的质量为1.008 7 u,钕(Nd)核质量为142.909 8 u,锆核质量为89.904 7 u;又知1 u=1.660 6×10-27 kg,试计算1 kg铀235大约能产生多少能量。 答案:(1)40 90 (2)8.32×1013 J
解析:(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90;核反应方程中应用符号Zr表示。
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(2)1 kg铀235的铀核个数为N=×6.02×1023=2.56×1024(个)。
不考虑核反应中生成的电子质量,一个铀核反应发生的质量亏损为Δm=0.217 4 u。 1 kg铀235完全裂变产生的能量约为ΔE=8.32×1013 J。 四、计算题
1.某核反应堆每小时消耗浓缩铀(铀235的含量占5%)200 g,假定每个铀核裂变时释放的能量是200 MeV,核反应堆的效率为90%,求该核反应堆的输出功率。 答案:2.0×108 W
解析:200 g浓缩铀中铀235的含量为m=200 g×5%=10 g, 则10 g铀235中含有的原子数为n=NA=×6.02×1023≈2.56×1022。
这些铀在1 h内释放的能量为Q=nΔE=2.56×1022×200×106×1.6×10-19 J≈8.19×1011 J, 则此核反应堆的输出功率为P= W≈2.0×108 W。
2.已知铀核U)裂变生成钡Ba)和氪Kr)Ba、Kr以及中子的质量分别是235.043 9 u、143.913 9 u、88.897 3 u和1.008 7 u。我国秦山核电站一期工程的功率为30×104 kW,假如U能够完全发生裂变,其中有一半核能转化为电能。则核电站一年要消耗多少U?(已知1 u=1.66×10-27 kg) 答案:231.1 kg
解析:核裂变方程为BaKr+n。
则一个U裂变释放出来的核能ΔE=(235.043 9 u-143.913 9 u-88.897 3 u-2×1.008 7 u)×c2=0.215 3×1.66×10-27×(3×108)2 J=3.21×10-11 J
每年核电站产生的总能量:E=Pt=30×107×365×24×3 600 J=9.461×1015 J 所以每年消耗的铀核个数为N=个=5.894×1026个
因此每年需要铀的总质量为:m=·mmol=×235×10-3 kg=231.1 kg。
3.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作慢化剂。中子在重水中可与H核碰撞减速,在石墨中与C核碰撞减速。上述碰撞可简化为弹性碰撞模型。某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种材料减速效果更好? 答案:重水
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人教版 高中物理 选修3-5 第19章 第6节《核裂变》同步练习
