第六節(jié)核能利用第六節(jié)核能利用第七節(jié)小粒子與大宇宙第七節(jié)小粒子與大宇宙目標定位目標定位1.了了解裂變反應堆的工作原理解裂變反應堆的工作原理.2.了解核電站和了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點核能利用的優(yōu)缺點.3.了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時間跨度間跨度一、反應堆一、反應堆1核核反應堆是人工控制鏈式反應的裝置它主要由以下幾部分組反應堆是人工控制鏈式反應的裝置它主要由以下幾部分組成：成：(1)燃料：燃料： ；(2)減速劑：鈾減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應，采用容易捕獲慢中子發(fā)生反應，采用 、 作減速劑；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，采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘數(shù)目，采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘 的的特性，就可以容易地控制鏈式反應的速度特性，就可以容易地控制鏈式反應的速度鈾棒鈾棒石墨石墨重水重水吸收中子強吸收中子強2工作原理：核燃料工作原理：核燃料 釋放的能量，使反應區(qū)溫度升釋放的能量，使反應區(qū)溫度升高高3能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)、能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)、外外 ，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電4核污染的處理：修建很厚的核污染的處理：修建很厚的 ，用來屏蔽裂變反應，用來屏蔽裂變反應放出的各種射線，核廢料具有很強的放出的各種射線，核廢料具有很強的 ，需要裝，需要裝入特制的容器，入特制的容器， 裂變裂變循環(huán)流動循環(huán)流動水泥層水泥層放射性放射性埋入深地層來處理埋入深地層來處理二、核電站、核能利用二、核電站、核能利用1核電站核電站利利用反應堆工作時釋放的熱能使水汽化以推動汽輪發(fā)電用反應堆工作時釋放的熱能使水汽化以推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，這就是核電站機發(fā)電，這就是核電站2核能利用核能利用(1) ；(2) ；(3)原子核物理實驗制造各種放射性同位素原子核物理實驗制造各種放射性同位素核力發(fā)電核力發(fā)電核動力核動力三、小粒子與大宇宙三、小粒子與大宇宙1從小粒子到大宇宙從小粒子到大宇宙空間跨度空間跨度(1)大大爆炸宇宙模型：大約爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次億年前突然發(fā)生一次 ，其后逐漸誕生出恒星、星團、脈沖星、超新星、黑洞以及其后逐漸誕生出恒星、星團、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠發(fā)光體等，經(jīng)歷被稱作類星體的遙遠發(fā)光體等，經(jīng)歷150億年演化成今天的億年演化成今天的宇宙世界宇宙世界(2)人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從 到到 ，共跨越了約，共跨越了約42個數(shù)量級個數(shù)量級大爆炸大爆炸1015 m1027 m2從粒子壽命到宇宙年齡從粒子壽命到宇宙年齡時間跨度時間跨度(1)宇宇宙的年齡的數(shù)量級：宙的年齡的數(shù)量級： .(2)微觀粒子的最短壽命：微觀粒子的最短壽命： .(3)物質(zhì)世界的時間尺度：約從物質(zhì)世界的時間尺度：約從 到到 ，跨越，跨越了將近了將近 個數(shù)量級個數(shù)量級1018 s1025 s1025 s1018 s43預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題問題1問題問題2問題問題3一、核反應堆一、核反應堆裂裂變反應堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈式反應的裝變反應堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈式反應的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應堆的結構和工作置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應堆的結構和工作原理如下表：原理如下表：組成部分組成部分材料材料作用作用裂變材料裂變材料(核燃料核燃料)濃縮鈾濃縮鈾(U)提供核燃料提供核燃料慢化劑慢化劑(減速劑減速劑)石墨、重水石墨、重水和普通水和普通水使裂變產(chǎn)生的快中子減速使裂變產(chǎn)生的快中子減速控制棒控制棒鎘鎘吸收減速后的中子，控制反應速度吸收減速后的中子，控制反應速度反射層反射層石墨石墨阻止中子逃逸阻止中子逃逸熱交換器熱交換器水水產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電防護層防護層金屬套和金屬套和鋼筋混凝土鋼筋混凝土防止射線對人體及其他生物體的侵害防止射線對人體及其他生物體的侵害答案答案見見解析解析借題發(fā)揮借題發(fā)揮(1)中子與靶核碰撞過程中滿足動量守恒、能量守中子與靶核碰撞過程中滿足動量守恒、能量守恒恒(2)因為靶核的質(zhì)量大于中子的質(zhì)量，故靶核的質(zhì)量比中子的因為靶核的質(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)量相等時可以使中子的質(zhì)量大得越少，減速效果越好，如質(zhì)量相等時可以使中子的速度減為零速度減為零針對訓練針對訓練1在在核反應中，控制鈾核反應中，控制鈾235核裂變反應速度的方法是核裂變反應速度的方法是()A使用濃縮鈾使用濃縮鈾B改變鈾塊的臨界體積改變鈾塊的臨界體積C通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)通過自動控制裝置，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改變中子的速度利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度答案答案C解析解析控制核反應的速度是靠調(diào)節(jié)中子數(shù)目來實現(xiàn)，即用鎘棒控制核反應的速度是靠調(diào)節(jié)中子數(shù)目來實現(xiàn)，即用鎘棒吸收中子改變中子數(shù)目吸收中子改變中子數(shù)目二、核電站的工作原理二、核電站的工作原理核核電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電的，這是核能的和平利電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電的，這是核能的和平利用，因此核電站是可控的鏈式反應用，因此核電站是可控的鏈式反應鈾鈾235裂變需要一定的條件：裂變需要一定的條件：(1)要有足夠濃度的鈾要有足夠濃度的鈾235；(2)要要有足夠數(shù)量的慢中子；有足夠數(shù)量的慢中子；(3)鈾塊的體積要大于臨界體積當中鈾塊的體積要大于臨界體積當中子進入鈾子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中由于后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀，核子間的距離增核子的激烈運動，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原狀，這樣就分裂成幾塊，同時放出能恢復原狀，這樣就分裂成幾塊，同時放出23個中子，這個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈式反應去，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈式反應原子彈中裂變一旦開始，裂變放出的快中子，又引起其他鈾原子彈中裂變一旦開始，裂變放出的快中子，又引起其他鈾核裂變的速度很快，在極短的時間內(nèi)釋放大量的能量，因此核裂變的速度很快，在極短的時間內(nèi)釋放大量的能量，因此殺傷力強大殺傷力強大在核電站中，核反應堆是熱源，如圖在核電站中，核反應堆是熱源，如圖1為簡化的核反應堆的為簡化的核反應堆的示意圖：示意圖：圖圖1鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾鈾235的含量占的含量占2%4%)制制成石墨成石墨(或重水或重水)為減速劑，使反應生成的快中子變?yōu)槁袨闇p速劑，使反應生成的快中子變?yōu)槁凶?，利于鈾子，利于?35吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍鎘吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒控棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒控制棒插入深些，吸收中子多，反應速度變慢，插淺一些，吸制棒插入深些，吸收中子多，反應速度變慢，插淺一些，吸收中子少，反應速度加快采用電子儀器自動地調(diào)節(jié)控制棒收中子少，反應速度加快采用電子儀器自動地調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應堆安全正常地工作的升降，就能使反應堆安全正常地工作(2)有一座發(fā)電能力為有一座發(fā)電能力為P1.00106 kW的核電站，核能轉化的核電站，核能轉化為電能的效率為電能的效率40 %.假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題題(1)中的核反應，已知每次核反應過程中放出的核能中的核反應，已知每次核反應過程中放出的核能E2.781011 J，鈾核的質(zhì)量，鈾核的質(zhì)量mU3901027 kg，求每年，求每年(1年年3.15107 s)消耗的消耗的U的質(zhì)量的質(zhì)量三、對粒子的認識三、對粒子的認識【例【例3】正正電子、負質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、電子、負質(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，而電性相反科學家設想在宇宙的質(zhì)子的質(zhì)量、電量均相等，而電性相反科學家設想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構成的物質(zhì)某些部分可能存在完全由反粒子構成的物質(zhì)反物質(zhì)反物質(zhì).1997年年初和年底，歐洲和美國的科研機構先后宣布：他們分別制造出初和年底，歐洲和美國的科研機構先后宣布：他們分別制造出9個和個和7個反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進步，你推測個反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進步，你推測反氫原子的結構是反氫原子的結構是 ()A由一個帶正電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構成由一個帶正電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構成B由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶正電荷的電子構成由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶正電荷的電子構成C由一個不帶電荷的中子與一個帶負電荷的電子構成由一個不帶電荷的中子與一個帶負電荷的電子構成D由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構成由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構成答案答案B解析解析反氫原子的結構是由反粒子構成的物質(zhì)，正電子、負反氫原子的結構是由反粒子構成的物質(zhì)，正電子、負質(zhì)子等都屬于反粒子質(zhì)子等都屬于反粒子