高中物理 第4章 核能 第3-4讲 核聚变 核能的利用与环境保护学案 鲁科版选修

1、第3讲核聚变第4讲核能的利用与环境保护目标定位1.了解聚变反应的特点及其条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类.4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施 一、轻核聚变1定义采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式获得核能的核反应，称为轻核聚变2核反应举例 HHHen.3能量变化轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量二、可控热核聚变反应1热核聚变反应的条件必须使原子核的距离达到1015 m以下，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变2约束聚变材料的方法引力约束、磁约束、惯性约束三、核能的利用与环境保护1核电站是将反应堆释放的核能转化为电能

2、的发电厂，它的核心设施是核反应堆2核武器原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器(1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置(2)氢弹：是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置3核能的优势与危害(1)优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多(2)危害：核废料具有高放射性一、核聚变及核能的计算1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近到核力发生作用的距离1015 m内，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要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温2轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变

3、后平均结合能增加，因此聚变反应是放能反应3聚变方程：HHHen.4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大约要大34倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多例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开尔文以上的高温，显然是吸收能量D裂变与聚变均可释放巨大的能量答案D解析从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂

4、成中等质量核，而聚变则是轻核聚合成为较重核，无直接关联，并非互为逆反应，A项错；既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反，B项错；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，故C项错，D项对例2一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量mT3.018 0 u求：(1)写出聚变方程(2)释放出的核能是多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？答案见解析解析(1)聚变方程H2nH.(2)质量亏损

5、mmH2mnmT(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u，释放的核能E0.006 7931.5 MeV6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为 MeV2.08 MeV.借题发挥轻核聚变释放核能的计算方法(1)根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真空中的光速(c3108 m/s)的平方，即Emc2.(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em的数值931.5 MeV注意：式中m的单位为kg，E的单位是J；式中m的单位是u，

6、E的单位是MeV.针对训练1氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程：HHHen17.6 MeV(1)这个核反应称为_(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中17.6 MeV是核反应中_(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量_(选填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字)答案(1)聚变(2)放出减少31029解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由Emc2，可以求得m31029 kg.二、核反应类型的判断例3下列说法不正确的是()A.HHHen是聚变B.UnXeSr2n是裂变C.RaRnHe是衰变D

7、.NaMge是裂变答案D解析A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了粒子，是衰变，C选项是正确的；而D选项应是衰变，不正确故答案为D.借题发挥主要核反应类型有：(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出或粒子(2)人工转变：人工转变常用粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子(

8、4)核聚变：轻核聚合成中等质量的核反应针对训练2下列说法正确的是()A.NHCHe是衰变方程B.HHHe是核聚变反应方程C.UThHe是核裂变反应方程D.HeAlPn是原子核的人工转变方程答案BD解析选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项B、D正确.对核聚变的理解及其核反应方程1科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHe2HHe，关于He聚变下列表述正确的是()A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应没有质量亏损D目前核电站都采用He聚变反应发电答案B解析核聚变

9、反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电2某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为HCNQ1，HNCXQ2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核HHeHeCNN质量/u1.007 83.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推断正确的是()AX是He，Q2Q1 BX是He，Q2Q1CX是He，Q2Q1 DX是He，Q2Q1答案B解析根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是He

10、；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1Q2.核反应类型的判断3现有三个核反应：NaMgeUnBaKr3nHHHen.下列说法正确的是()A是裂变，是衰变，是聚变B是聚变，是裂变，是衰变C是衰变，是裂变，是聚变D是衰变，是聚变，是裂变答案C解析原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变，为衰变原子序数较大的重核分解成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变，为裂变原子序数较小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，为聚变故正确答案为C.计算核聚变释放的能量4一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质

11、量为m12.014 1 u，氚核质量为m23.016 0 u，氦核质量为m34.002 6 u，中子质量为m41.008 7 u，求：(1)写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？答案(1)HHHen(2)17.5 MeV3.5 MeV解析(1)核反应方程为HHHen.(2)此反应过程的质量亏损为m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 8 u，E0.018 8931.5 MeV17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为 MeV3.5 MeV.(时间：60分钟)题组一对核聚变的理解1关于核聚变，以下说法不

12、正确的是()A与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到1015 m以内，核力才能起作用D地球上聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核答案B解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理但核聚变发电还没有投入实际运行所以B项是不正确的2关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C聚变反应中粒子的平均结合能变小D聚变反应中由于形成质量较大的核，故

13、反应后质量增加答案B解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则平均结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误3太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地()A衰变反应 B人工核反应C裂变反应 D热核反应答案D解析太阳的内部时刻都在进行着轻核的聚变，即热核反应4重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损B裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C裂变过程和聚变过程都有质量增加D裂变过程和聚变过程都有质量亏损答案D解

14、析重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损5一个氘核(H)与一个氚核(H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损聚变过程中()A吸收能量，生成的新核是HeB放出能量，生成的新核是HeC吸收能量，生成的新核是HeD放出能量，生成的新核是He答案B解析聚变过程中存在质量亏损，应放出能量由核反应HHnHe，可知新核为He，B对题组二聚变释放核能的计算6据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应

15、方程是UnBaKr3nC根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析HHHen是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故C项正确7当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为()A21.04 MeV B35.56 MeVC77.64 MeV D92.16 MeV答案D解析6个中子

16、和6个质子可结合成3个粒子，放出能量328.30 MeV84.9 MeV,3个粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV7.26 MeV92.16 MeV，故D对8氘和氚发生聚变反应的方程式是HHHen17.6 MeV，若有2 g氘和3 g 氚全部发生聚变，NA为阿伏加德罗常数，则释放的能量是()ANA17.6 MeV B5NA17.6 MeVC2NA17.6 MeV D3NA17.6 MeV答案A解析由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV能量和1个中子，则1 mol的氘和1 mol氚全部聚变成1

17、 mol氦核时释放的能量为ENA17.6 MeV，故A对92006年9月28日，我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电、显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿度，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子B两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子C两个氘核聚变成一个

18、He所释放的核能为(2m1m3m4)c2D与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废料具有放射性答案BD解析由核反应方程知2HHeX，X应为中子，释放的核能应为E(2m1m3m2)c2，聚变反应的污染非常小而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性故A、C错误，B、D正确104个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出2.8106 eV的能量，写出核反应方程，并计算1 g氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量？答案见解析解析该反应的核反应方程为：4HHe2e.由此可知，平均每个氢核反应释放出的能量为E0 eV7105 eV1 g氢核(即1 mol)所包含的氢核的个数为6.01023(个)应释放出的总能量E为：E71056.01023 eV4.21029 eV6.721010 J.11为了验证爱因斯坦质能方程Emc2，设计了下面的实验：用动能E10.9 MeV的质子去轰击静止的锂核Li，生成两个粒子，测得这两个粒子的动能之和E19.9 MeV.(质子、锂7核、粒子的质量分别是1.007 3 u、7.016 u、4.001 5 u)(1)写出该核反应方程式；(2)计算核反应过程中释放的能量E；(3)通过计算说明Emc2的正确性答案(1)HLi2He(2)18.9 MeV(3)见解析解析