高中物理 第19章 第7节 核聚变同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第7节核聚变 原子核 中国核聚变中性束注入技术取得重大突破最大的受控核聚变实验装置 中国环流器新一号在已经进行的物理实验中 兆瓦级中性束注入成功地达到了11mw的离子束功率 使装置内等离子体温度提高了1倍以上 据专家称 这标志着我国核聚变研究中性束注入技术取得重大突破 同时表明我国的兆瓦级注入器已研制成功 受控核聚变是当代科技界为解决人类未来能源问题而开发的一项尖端科技攻关课题 其中大功率中性束注入在核聚变研究装置的等离子体加热 磁约束改善 无感电流驱动及加料方面均占有重要地位 是目前国际上该研究领域最有效的加热手段 据悉 当前世界几大尖端受控核聚变实验装置在以中性束加热为主的条件下 已超过了实验核聚变反应点火要求的温度 据了解 我国约在20年前就开始了大功率中性束注入的研究 近年来作为国家高科技攻关项目 深入开展了兆瓦级中性束注入技术的研究 进一步探索了离子源放电等离子体的物理特征 离子源引出系统的束光学特性等 特别是在2000年的实验中 采取了改善电源特性 监测系统的动真空参数 计算机模拟放电系统宏观参数等创新技术 使实验取得突破 专家认为 我国兆瓦级中性束注入技术的突破 为我国正建设中的新一代核聚变研究装置 中国环流器二号a提供了有效的等离子体加热手段 将进一步加快我国受控核聚变研究跻身国际先进行列的步伐 1 核聚变 热核反应 1 聚变 轻核结合成质量较大的核的反应过程称为聚变 聚变伴随 大量的核能 典型聚变的核反应方程为 17 60mev 2 热核反应 为了使轻核聚合 必须给它加热到很高温度 几百万度以上 使原子核获得很大的 这样才能使原子核克服正电荷间巨大的 进入 范围内 发生聚变 所以聚变反应也称热核反应 热核反应一旦发生 就不再需要外界给它们能量 而靠 的能量把反应进行下去 热核反应过程十分激烈 氢弹就是利用热核反应制造的一种大规模杀伤性武器答案 1 释放 2 动能库仑力10 15m自身释放 热核反应在宇宙中是很普遍的 太阳内部和许多恒星内部 温度高达 以上 热核反应在那里激烈地进行着 太阳每秒钟辐射出来的能量约为3 8 1026j 就是热核反应产生的 2 受控热核反应 1 聚变反应和裂变反应相比之优点 聚变反应产能 高 即相同质量的核燃料 聚变比裂变反应放出的核能多 聚变反应燃料 即核反应所用的燃料 氘 在地球上储量非常丰富 1l海水中大约有0 03g氘 如果用来进行热核反应 放出的能量约和燃烧300l汽油相当 答案 1 2 107k2 2 1 效率 丰富 核废料 核反应产生的放射性废料较少 处理起来比较简单 而裂变时产生的放射性物质 处理起来比较困难 2 可控热核反应 控制热核反应的难点是 地球上没有任何容器能经受如此高的温度 所以目前可控热核反应还处于探索 实验阶段 目前科学家采用两种方法 约束 聚变材料 磁约束和 中国环流器一号 和 中国环流器新一号 是我国研究可控热核反应的实验装置 答案 1 易处理 2 惯性约束 一 核聚变1 聚变 轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变 例如 2 热核反应 轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量 这种在很高温度下产生的聚变又叫热核反应 注 使轻核反生聚变 必须使它们的距离十分接近 达到10 15m的近距离 由于原子核都是带正电的 要使它们接近到这种程度 必须克服巨大的库仑斥力 这就要使原子核具有很大的动能 用什么办法能使大量原子核获得足够的动能来产生聚变呢 有一种办法就是给它们加以很高的温度 当物体达到几百万摄氏度的高温时 剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能 可以克服相互间的库仑斥力 在碰撞时发生聚变 因此 聚变反应又叫热核反应 3 轻核聚变和重核裂变的对比 见下表 双选 北京奥运会的相关场馆建设大量采用对环境有益的新技术 如奥运会场馆周围80 的路灯利用了太阳能发电技术 奥运会90 的洗浴热水采用了全玻真空太阳能集热技术 太阳能的产生是太阳内部高温高压条件下的核反应形成的 下列说法正确的是 a 该核反应的方程可能是b 该核反应的方程可能是c 反应之所以释放出能量 是因为h核子的平均质量较he的大d 反应之所以释放出能量 是因为h核子的平均质量较he的小解析 太阳能是由太阳内部核聚变反应产生的 反应中释放出能量是因为h核子的平均质量较he的大 故a c正确 答案 ac 变式迁移 1 质子 中子和氘核的质量分别为m1 m2和m3 质子和中子结合成氘核时 发出一个 光子 已知普朗克常量h 真空中的光速为c 则 光子的频率为 解析 根据题意 可知反应中释放的能量以射线的形式出现 则射线的能量就是反应前后的质量亏损所对应的能量 而射线的能量又与射线的频率有关 反应前后的质量亏损为 m m1 m2 m3释放的能量为 e m1 m2 m3 c2光子的能量为 h m1 m2 m3 c2所以光子的频率就是 m1 m2 m3 c2 h 答案 m1 m2 m3 c2 h 二 受控热核反应1 热核反应的优点 与裂变相比 1 产生的能量大 2 反应后生成的放射性物质易处理 3 热核反应的燃料在地球上储量丰富 2 实现核聚变的难点地球上没有任何容器能够经受如此高的温度 为解决这个难题 科学家设想了两种方案 即磁约束和惯性约束 使两个氘核发生聚变生成一个氦核 放出多少核能 解析 聚变的核反应式为 根据不同的已知条件 通常可以有两种计算方法 法一 先查出氘核和氦核的质量 md 2 014102u mhe 4 002603u然后根据核反应前后的质量亏损 用质能方程算出释放的核能核反应前后的质量亏损为 m 2md mhe 2 2 014102u 4 002603u 0 025601u释放出的核能为 e 0 025601 931 5mev 23 8473315mev 法二 先查出氘核和氦核的比结合能ed 1 11mev ehe 7 07mev然后采用 先拆散 后结合 的方法 即先把2个氘核分解成4个自由核子 2个中子和2个质子 再使这4个自由核子结合成氦核 比较前后两个过程中释放的结合能 同样可得出结果 由于氘核的平均结合能为ed 1 11mev 所以将2个氘核分解成4个自由核子需提供的能量为 e1 4 1 11mev 4 44mev氦核的平均结合能为ehe 7 07mev 所以将4个自由核子结合成氦核时释放出的能量为 e2 4 7 07mev 28 28mev则两个氘核发生聚变生成一个氦核时 放出的核能为 e e2 e1 28 28mev 4 44mev 23 84mev 答案 23 84mev 变式迁移 2 已知氘核 质量为2 0136u 中子 质量为1 0087u 氦核 质量为3 0150u 1u相当于931 5mev 1 写出两个氘核聚变成的核反应方程 2 计算上述核反应中释放的核能 保留三位有效数字 3 若两个氘核以相同的动能0 35mev做对心碰撞即可发生上述反应 且释放的核能全部转化为机械能 则反应后生成的氦核 和中子 的速度大小之比是多少 解析 1 根据题中条件 可知核反应方程为 2 质量亏损 m 2mh mhe mn 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u由于1u的质量与931 5mev的能量相对应 所以核反应中释放的核能为 e 0 0035 931 5mev 3 26mev 3 由动量守恒定律有 0 mhevhe mnvn得 vhe vn 1 3答案 1 2 3 26mev 3 1 3 基础巩固 1 双选 下列说法中正确的是 a 聚变反应中有质量亏损 所以必向外界放出能量b 使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1 10 15m 也就是接近到核力能够发生作用的范围内c 要使核发生聚变反应 必须克服核力做功d 热核反应只有在人工控制下才能发生解析 由质能方程可知a正确 轻核结合成质量较大的核 必须使轻核间的距离达到能发生核力的范围 才能使它们紧密地结合起来 b正确 c错