第4章 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護

1、.第3節(jié)核聚變 第4節(jié)核能的利用與環(huán)境保護學 習 目 標知 識 脈 絡1.知道聚變反響的特點及其條件，并能計算核聚變釋放的能量重點2.理解可控熱核反響及其研究和開展前景難點3.理解核電站的構(gòu)造和根本原理，理解核武器的種類重點4.理解核能利用的優(yōu)勢、危害及其防護措施.輕核聚變與可控熱核聚變反響1輕核聚變采用輕核聚合成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能這樣的核反響稱為輕核聚變2太陽內(nèi)部核聚變的反響方程HHHen.3核子聚變的條件要使核子發(fā)生聚變，必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍4物質(zhì)第四態(tài)等離子態(tài)高溫等離子體的密度及維持時間到達一定值時才能實現(xiàn)聚變5約束等離子體的三種方式引力約束、磁約束、慣性

2、約束1太陽中發(fā)生的是可控熱核聚變反響×2輕核發(fā)生聚變反響不需要條件×3輕核發(fā)生聚變反響核子必須接近到核力發(fā)生作用的范圍為什么制造氫彈必需要具有制造原子彈的才能？【提示】氫彈爆炸是熱核反響，需要到達幾百萬攝氏度的高溫才能進展，只有利用原子彈爆炸時的高溫高壓，才能使氫彈中的聚變材料到達熱核反響的條件，故只有具備了制造原子彈才能的國家才能制造氫彈1聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的間隔 1015 m，這要抑制電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能，有一種方法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫2輕核聚變是放能反響：從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)

3、合能增加，因此聚變反響是一個放能反響3核聚變的特點1在消耗一樣質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量2熱核反響一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反響進展下去3普遍性：熱核反響在宇宙中時時刻刻地進展著，太陽就是一個宏大的熱核反響堆4核聚變的應用1核武器氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反響裝置它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸2可控熱核反響：目前處于探究階段5重核裂變與輕核聚變的區(qū)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反響比裂變反響平均每個核子放出的能量要大3

4、4倍核廢料處理難度聚變反響的核廢料處理要比裂變反響簡單得多原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富.1 L海水中大約有0.03 g氘，假如用來進展熱核反響，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當可控性速度比較容易進展人工控制，如今的核電站都是用核裂變反響釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它1多項選擇以下說法正確的選項是A聚變是裂變的逆反響B(tài)假如裂變釋放能量，那么聚變反響必定吸收能量C聚變須將反響物加熱至數(shù)百萬度以上高溫，所以聚變反響又叫熱核反響D裂變反響速度可以實現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變反響速度

5、【解析】聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核，二者無直接關系，故A錯聚變和裂變在能量流向上也無直接關系，故B錯核聚變反響是熱核反響，需數(shù)百萬度的高溫，但聚變反響一旦開場所釋放的能量就遠大于所吸收的能量，因此聚變反響還是釋放能量的，故C正確，如今已經(jīng)能實現(xiàn)裂變反響速度的人工控制，但除氫彈外，還不能實現(xiàn)輕核聚變的人工控制，D正確【答案】CD2多項選擇能源是社會開展的根底，開展核能是解決能源問題的途徑之一，以下釋放核能的反響方程，表述正確的選項是 【導學號：64772054】A.HHHen是核聚變反響B(tài).HHHen是衰變C.UnBaKr3n是核裂變反響D.UnXeSr2n是衰變【解析

6、】HHHen是輕核聚變反響，A正確，B錯誤；UnBaKr3n和UnXeSr2n均為重核裂變反響，C正確，D錯誤【答案】AC3氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出宏大的能量，該反響方程為：HHHex，式中x是某種粒子：H、H、He和粒子x的質(zhì)量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u，c是真空中的光速由上述反響方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是_，該反響釋放出的能量為_MeV結(jié)果保存3位有效數(shù)字【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是n中子核反響中的質(zhì)量虧損為m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u所以該反響

7、釋放出的能量為Em·c217.6 MeV.【答案】n或中子17.6對輕核聚變理解的兩個誤區(qū)1誤認為聚變就是裂變的逆反響產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質(zhì)沒有理解透，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關聯(lián)，并非互為逆反響2不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉(zhuǎn)變的方程這是由對以上四種核反響方程的理解不深化造成的這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的本質(zhì)：核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€或更多個中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子；人工轉(zhuǎn)變常用粒子或中子去轟擊原子核，產(chǎn)生新原子核并放出一

8、個或幾個粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出粒子或粒子的反響，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為衰變和衰變兩種核能的利用及環(huán)境保護1核電站：將反響堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠工作流程：將反響堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能燃料：反響堆以U為燃料2核武器：原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器3核能的優(yōu)勢1核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的本錢低2核電站對環(huán)境污染比燃煤發(fā)電小得多4核能利用存在的危害1核廢料的高輻射性2放射性物質(zhì)泄漏，產(chǎn)生核污染3核武器威力宏大，不僅能摧毀生命，而且會使生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞1太陽自身強大的引力把高溫等離子體約束在一起，維持了其內(nèi)部的熱核

9、反響的進展2磁壓縮裝置中的環(huán)形線圈通電后可以產(chǎn)生磁場，將等離子體約束在環(huán)形真空室內(nèi)3目前，可控熱核聚變已經(jīng)被廣泛應用于核電站發(fā)電×原子彈和氫彈的裝置有何不同？【提示】1原子彈是一種沒有減速劑、不加控制的爆炸性鏈式反響裝置2氫彈是一種靠慣性約束、不需人工控制而實現(xiàn)聚變的反響裝置1核能利用核原料提供的能量宏大，1 kg鈾釋放的全部能量大約相當于2 700 t標準煤完全燃燒放出的能量地球上的常規(guī)能源一般都無法跟核能相比除鈾外，釷也是一種裂變材料，它比鈾更豐富，假如能把釷利用起來，核電的開展前景將更為廣闊熱核反響所需的氘更是儲量豐富核原料的運輸和儲存方便，如：一座100萬千瓦核電站一年所需原

10、料鈾，只需6輛卡車就可全部運到現(xiàn)場核電站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成溫室效應或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護2環(huán)境保護核電站為防止放射性物質(zhì)的泄漏，一般有4道平安屏障：二氧化鈾陶瓷體燃料芯塊滯留裂變產(chǎn)物，外面密封鋯合金包殼，第三道是壓力邊界，第四道是平安殼這些措施大大進步了核能利用的平安性3廢料處理對核廢料先回收利用，剩下的廢料就很少了，將其中低放射性廢料進展瀝青固化或水泥固化后，儲存在地下淺層廢料庫，對高放射性的廢料采用玻璃固化后，埋藏在深層廢料庫加之實時監(jiān)測等措施都降低了對環(huán)境污染的可能性4核電站1原理原子核的鏈式反響是在人工控制下進展釋放的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再由蒸汽輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化

11、為電能，使核能為人類和平建立效勞2優(yōu)點核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的本錢低，一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30 t左右，而同樣功率的燃煤發(fā)電站每年要消耗250萬噸優(yōu)質(zhì)煤核電站對環(huán)境的污染要比燃煤發(fā)電小得多4多項選擇為應對能源危機和優(yōu)化能源構(gòu)造，進步清潔能源的比重，我國制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快開展風電和再生能源的政策，在?核電中長期開展規(guī)劃?中要求2020年核電運行裝機總?cè)萘康竭_4 000萬千瓦的程度，請根據(jù)所學物理知識，判斷以下說法中正確的選項是A核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能C所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D假如核電站

12、能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡單，對環(huán)境污染更小【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故A、B正確，C錯，假如核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環(huán)境污染也更小，D正確【答案】ABD5多項選擇關于核能的利用，以下說法正確的選項是A核電站的反響堆將釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為電能B采用“內(nèi)爆法促使鏈式反響，做成的原子彈設計難度大，但材料利用率高C核燃料的危害主要是其具有放射性D太陽發(fā)光主要來自太陽內(nèi)部重核裂變產(chǎn)生的核能【解析】核電站的能量轉(zhuǎn)化過程為核能到內(nèi)能再到電能，A正確“內(nèi)爆法難度大，但材料利用率高，B正確放射性

13、對人體和環(huán)境都有危害，C正確，太陽發(fā)光主要來自太陽內(nèi)部輕核聚變反響釋放的能量，D錯誤【答案】ABC學業(yè)分層測評十三建議用時：45分鐘學業(yè)達標1太陽每秒輻射出來的能量約為3.8×1026 J，這些能量是 【導學號：64772109】重核的裂變反響中產(chǎn)生的輕核的聚變反響中產(chǎn)生的原子核的衰變反響中產(chǎn)生的熱核反響中產(chǎn)生的ABC D【解析】由于太陽的主要成分是氫，它釋放出的宏大能量來源于氫核的聚變反響這一反響又叫熱核反響，故D正確【答案】D2關于核電站，以下說法正確的選項是A核電站中的核反響是無法控制的B目前核電站主要原料是鈾，能量主要來源于核聚變C采用增殖反響堆可以使核原料充分利用D核電站使

14、用過的核燃料還可以在火力發(fā)電廠中二次利用【解析】目前核電站主要原料是鈾，能量主要來源于核裂變，其反響是可以通過控制棒控制反響速度的快慢，A、B均錯采用增殖反響堆可以充分利用鈾235之外的原料從而放出更多能量，C對核廢料具有放射性，不能再通過燃燒的方式二次發(fā)電，D錯【答案】C3多項選擇我國自行研制了可控熱核反響實驗裝置“超導托卡馬克英名稱：EAST，俗稱“人造太陽設可控熱核實驗反響前氘核H的質(zhì)量為m1，氚核H的質(zhì)量為m2，反響后氦核He的質(zhì)量為m3，中子n的質(zhì)量為m4，光速為c，正確說法正確的選項是 【導學號：64772055】A這種裝置中發(fā)生的核反響方程式是HHHenB由核反響過程質(zhì)量守恒可知

15、m1m2m3m4C核反響放出的能量等于m1m2m3m4c2D這種裝置與我國大亞灣核電站所使用裝置的核反響原理一樣【解析】核反響方程為HHHen，選項A正確；反響過程中向外釋放能量，故質(zhì)量有虧損，且釋放的能量Emc2m1m2m3m4c2，選項B錯誤，C正確；可控熱核反響為核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反響原理為核裂變，可控熱核反響目前還不能用于核電站實現(xiàn)發(fā)電，故D錯誤【答案】AC4多項選擇我國在極其困難的情況下，完成了“兩彈一星，長了中國人的志氣，打破了西方的訛詐，以下核反響方程中，屬于研究兩彈的根本核反響方程的是 【導學號：64772110】A.NHeOHB.UnSrXe10nC.UThHeD

16、.HHHen【解析】“兩彈指原子彈和氫彈，原子彈的核反響方程是鈾核裂變，B選項正確，氫彈的核反響方程是輕核聚變，D選項正確【答案】BD5多項選擇2019年9月28日，我國最新一代核聚變裝置“EAST在安徽合肥首次放電，顯示了EAST裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達1 000 s，溫度超過1億度，這標志著我國磁約束核聚變研究進入國際先進程度合肥也成為世界上第一個建成此類全超導非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，那么以下說法中正確的選項是A兩個氘核聚變成一個He所產(chǎn)生的

17、另一個粒子是質(zhì)子B兩個氘核聚變成一個He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為2m1m3m4c2D與受控核聚變比較，現(xiàn)行的核反響堆產(chǎn)生的廢物具有放射性【解析】由核反響方程2HHeX知，X應為中子，釋放的核能應為E2m1m3m2c2，聚變反響的污染非常小，而現(xiàn)行的裂變反響的廢料具有很強的放射性，故A、C錯誤，B、D正確【答案】BD6多項選擇我國科學家研制“兩彈所涉及的根本核反響方程有：1UnSrXekn；2HHHedn；關于這兩個方程，以下說法正確的選項是A方程1屬于衰變B方程1屬于重核裂變C方程2屬于輕核聚變D方程1中k10，方程2中d1【解析】方程1屬于重核裂變，方程

18、2屬于輕核聚變，故A錯，B、C對據(jù)核反響中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可求出k10，d1，故D對【答案】BCD7某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反響方程為HCNQ1，HNCXQ2，方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關的原子核質(zhì)量如表：原子核HHHeCNN質(zhì)量/u1.007 83.016 64.002 612.000 013.005 715.000 1那么可以推斷X是_，方程中Q1和Q2的大小關系是Q1_Q2.【解析】由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可判斷X為He，式的質(zhì)量虧損為m11.007 8 u12.000 0 u13.005 7 u0.002 1 u式的質(zhì)量虧損為m21.0

19、07 8 u15.000 1 u12.000 0 u4.002 6 u0.005 3 u，所以m2>m1根據(jù)質(zhì)能方程Emc2可求解Q2>Q1.【答案】He<8物理學家們普遍相信太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反響根據(jù)這一理論，在太陽內(nèi)部4個氫核H轉(zhuǎn)化成一個氦核He和兩個正電子e并放出能量質(zhì)子質(zhì)量mp1.007 3 u，粒子的質(zhì)量m4.0026 u，電子的質(zhì)量me0.000 5 u1 u的質(zhì)量對應931.5 MeV的能量1寫出該熱核反響方程；2一次這樣的熱核反響釋放出多少兆電子伏的能量？結(jié)果保存四位有效數(shù)字【解析】1熱核反響方程為4HHe2e.2質(zhì)量虧損為m4m

20、pm2me4×1.007 34.002 62×0.000 5 u0.025 6 uE0.025 6×931.5 MeV23.85 MeV.【答案】14HHe2e223.85 MeV才能提升9多項選擇據(jù)新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置又稱“人造太陽已完成了首次工程調(diào)試以下關于“人造太陽的說法正確的選項是 【導學號：64772056】A“人造太陽的核反響方程是HHHenB“人造太陽的核反響方程是UnBaKr3nC根據(jù)公式Emc2可知，核燃料的質(zhì)量一樣時，聚變反響釋放的能量與裂變反響一樣D核燃燒的質(zhì)量一樣時，聚變反響過程的質(zhì)量虧損比裂變反

21、響過程的質(zhì)量虧損大得多【解析】HHHen是氫核聚變方程，故A項正確；根據(jù)氫核聚變特點，一樣質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反響大得多，氫核聚變反響過程的質(zhì)量虧損比裂變反響過程的質(zhì)量虧損大得多，D正確【答案】AD10多項選擇如圖4­3­1所示，托卡馬克tokamak是研究受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal環(huán)形的、kamera 真 空 室、magnet磁的頭兩個字母以及kotushka線圈的第一個字母組成的縮寫詞根據(jù)以上信息，以下判斷中可能正確的選項是圖4­3­1A這種裝置的核反響原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似

22、B線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)而不溢出C這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反響原理一樣D這種裝置是科學家設想的其中一種方案【解析】聚變反響原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對；線圈通電時產(chǎn)生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)而不溢出，故B對；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯；該裝置是科學家設想的其中一種方案，故D對【答案】ABD11我國自行設計并研制的“人造太陽托卡馬克實驗裝置運行獲得重大進展，這標志著我國已經(jīng)邁入可控熱核反響領域先進國家行列該反響所進展的聚變過程是HHHen，反響原料氘H富存于海水中，而氚H是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過中子轟擊鋰核Li的人工核轉(zhuǎn)變得到1請把以下用中子轟擊鋰核Li產(chǎn)生一個氚核H和一個新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完好：_n_H.2在1中，每產(chǎn)生1 g氚的同時有多少個Li核實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？阿伏加德羅常數(shù)NA取6.0×1023 mol13一個氘核和一個氚核發(fā)生核聚變時，平均每個核子釋放的能量為5.6×1013 J，求該核聚變過程中的質(zhì)量虧損【解析】1核反響方程為：LinHeH.2因為1 g氚為 mol，根據(jù)核反響方程，實現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的Li也為mol，所以有2.0×