第5章 5.3聚变与受控热核反应 5．4核能利用与社会发展

第页5.3聚变与受控热核反应5．4核能利用与社会发展学习目标知识脉络1.知道聚变和聚变反应特点，知道聚变的条件．(重点)2.会写聚变方程并能计算聚变释放的能量．(重点、难点)3.了解受控热核反应的装置“托卡马克”以及我国对受控热核反应研究的成果.4.了解核能的优越性，核安全性与核废料处理的方法.聚变与受控热核反应eq\o([先填空])1．轻核聚变(1)定义使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核．又称热核反应．(2)条件利用几千万开尔文以上的高温，形成物质的第四态—等离子态，原子核获得足够大的动能，通过碰撞使一部分核接近到足以发生聚变的距离．(3)核反应举例21H＋31H→eq\o\al(4,2)He＋10n＋17.6MeV.(4)特点在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能释放的能量更多．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身就可以使反应进行下去．(5)普遍性热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳以及许多恒星内部，都要不断地进行着聚变反应．2．受控热核反应(1)实验装置受控热核反应实验装置称为“托卡马克”，它是一种利用强磁场约束等离子体的环流器．(2)原理①中央螺线管通电后在环形真空室中感应出强电流，加热核燃料，使其成为等离子体．②中央螺线管与同轴环形线圈一起形成螺旋状磁场，将等离子体约束在环状真空室中．eq\o([再判断])1．太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×)2．轻核发生聚变反应不需要条件．(×)3．轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√)eq\o([后思考])为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几千万开以上的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．eq\o([核心点击])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10－15m，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，有一种办法就是把它们加热到几千万开尔文的高温．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．5．重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它1．以下说法正确的是()A．聚变是裂变的逆反应B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应D．裂变反应速度可以实现人工控制，轻核聚变反应速度也可以人工控制【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C正确，现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，D错误．【答案】C2．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚变反应B.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰变C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂变反应D.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是α衰变【解析】eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是轻核聚变反应，A正确，B错误；eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n和eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n均为重核裂变反应，C正确，D错误．【答案】AC3．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋x，式中x是某种粒子．已知：eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H、eq\o\al(4,2)He和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝eq\f(931.5MeV,c2)，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子x是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是eq\o\al(1,0)n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.0141u＋3.0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u所以该反应释放出的能量为ΔE＝Δm·c2＝17.6MeV.【答案】eq\o\al(1,0)n(或中子)17.6对轻核聚变理解的两个误区(1)误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有透彻理解，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．(2)正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．核能利用与社会发展eq\o([先填空])1．核能的优越性(1)核燃料提供的能量巨大．(2)核燃料的储量丰富．(3)核燃料的运输和储存方便．(4)清洁卫生，对环境的污染小．2．核安全性为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障．3．核废料处理(1)后处理技术．(2)沥青固化或水泥固化贮存地下库．(3)玻璃固化，埋藏深层废料库．eq\o([再判断])1．作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大．(√)2．核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．(×)3．核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏．(√)eq\o([后思考])核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？【提示】核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1m～2m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害．eq\o([核心点击])1．核能利用核原料提供的能量巨大，1kg铀释放的全部能量大约相当于2700t标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．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．环境保护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．3．废料处理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．4．核电站(1)原理原子核的链式反应是在人工控制下进行．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)优点①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．4．(多选)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，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4000万千瓦的水平，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．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A正确，B、C错；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．【答案】AD5．(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是()A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电