第六節(jié)核能利用第七節(jié)小粒子與大宇宙 目標(biāo)定位1.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理.2.了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn).3.了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時(shí)間跨度 一、反應(yīng)堆1核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置它主要由以下幾部分組成：(1)燃料： ；(2)減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用 、 作減速劑；(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘 的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度鈾棒石墨重水吸收中子強(qiáng) 2工作原理：核燃料 釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高3能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)、外 ，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電4核污染的處理：修建很厚的 ，用來(lái)屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的 ，需要裝入特制的容器， 裂變循環(huán)流動(dòng)水泥層放射性埋入深地層來(lái)處理 二、核電站、核能利用1核電站利用反應(yīng)堆工作時(shí)釋放的熱能使水汽化以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是核電站2核能利用(1) ；(2) ；(3)原子核物理實(shí)驗(yàn)制造各種放射性同位素核力發(fā)電核動(dòng)力 三、小粒子與大宇宙1從小粒子到大宇宙空間跨度(1)大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次 ，其后逐漸誕生出恒星、星團(tuán)、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠(yuǎn)發(fā)光體等，經(jīng)歷150億年演化成今天的宇宙世界(2)人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從 到 ，共跨越了約42個(gè)數(shù)量級(jí)大爆炸1015 m10 27 m 2從粒子壽命到宇宙年齡時(shí)間跨度(1)宇宙的年齡的數(shù)量級(jí)： .(2)微觀粒子的最短壽命： .(3)物質(zhì)世界的時(shí)間尺度：約從 到 ，跨越了將近 個(gè)數(shù)量級(jí)1018 s1025 s1025 s 1018 s43 預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你疑惑的問(wèn)題記錄在下面的表格中問(wèn)題1問(wèn)題2問(wèn)題3 一、核反應(yīng)堆裂變反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來(lái)，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理如下表：組成部分材料作用裂變材料(核燃料)濃縮鈾(U)提供核燃料慢化劑(減速劑)石墨、重水和普通水使裂變產(chǎn)生的快中子減速 控制棒鎘吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度反射層石墨阻止中子逃逸熱交換器水產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電防護(hù)層金屬套和鋼筋混凝土防止射線對(duì)人體及其他生物體的侵害 答案見(jiàn)解析 借題發(fā)揮(1)中子與靶核碰撞過(guò)程中滿足動(dòng)量守恒、能量守恒(2)因?yàn)榘泻说馁|(zhì)量大于中子的質(zhì)量，故靶核的質(zhì)量比中子的質(zhì)量大得越少，減速效果越好，如質(zhì)量相等時(shí)可以使中子的速度減為零 針對(duì)訓(xùn)練1在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是()A使用濃縮鈾B改變鈾塊的臨界體積C通過(guò)自動(dòng)控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)D利用石墨與中子的碰撞來(lái)改變中子的速度答案C解析控制核反應(yīng)的速度是靠調(diào)節(jié)中子數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用鎘棒吸收中子改變中子數(shù)目 二、核電站的工作原理核電站是利用緩慢釋放的核能來(lái)發(fā)電的，這是核能的和平利用，因此核電站是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鈾235裂變需要一定的條件：(1)要有足夠濃度的鈾235；(2)要有足夠數(shù)量的慢中子；(3)鈾塊的體積要大于臨界體積當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀，核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得核由于質(zhì)子間的斥力作用而不能恢復(fù)原狀，這樣就分裂成幾塊，同時(shí)放出23個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來(lái)越多的核能，這就叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 原子彈中裂變一旦開(kāi)始，裂變放出的快中子，又引起其他鈾核裂變的速度很快，在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量的能量，因此殺傷力強(qiáng)大在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖1為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆的示意圖：圖1 鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%4%)制成石墨(或重水)為減速劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，利于?35吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒控制棒插入深些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快采用電子儀器自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應(yīng)堆安全正常地工作 (2)有一座發(fā)電能力為P1.00106 kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率40 %.假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過(guò)程中放出的核能E2.781011 J，鈾核的質(zhì)量m U3901027 kg，求每年(1年3.15107 s)消耗的U的質(zhì)量 三、對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)【例3】正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、質(zhì)子的質(zhì)量、電量均相等，而電性相反科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)反物質(zhì).1997年初和年底，歐洲和美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個(gè)和7個(gè)反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步，你推測(cè)反氫原子的結(jié)構(gòu)是 ()A由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成C由一個(gè)不帶電荷的中子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成 D由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成答案B 解析反氫原子的結(jié)構(gòu)是由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子