2019-2020学年高中物理 第5章 核能与社会 3 聚变与受控热核反应 4 核能利用与社会发展精练（含解析）沪教版选修3-5

聚变与受控热核反应 核能利用与社会发展1.知道聚变和聚变反应的特点(重点)2.能写出聚变方程并会计算聚变能量(重点难点)3.了解受控热核反应4了解核能的优越性、安全性、废料处理及核能的合理利用,学生用书p72)一、聚变与受控热核反应1更大的能源宝库：使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时会释放核能把这种释放核能的反应称为聚变一个氘核和一个氚核发生聚变核反应，会释放17.6_mev的能量，平均每个核子释放的能量在3 mev以上海水中含有大量的这种轻核资源2聚变的条件：由于这种核反应需在几千万度的高温下进行，因此，聚变又叫热核反应太阳以及许多恒星内部，都在不断地进行着聚变反应3受控热核反应：科学家设想的受控热核反应的两种方案：即磁约束和惯性约束当前受人青睐的受控热核反应利用的是磁约束，它是一个利用强磁场约束等离子体的环流器(1)核聚变时吸收能量()(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大()(3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹()提示：(1)(2)(3)二、核能利用与社会发展1核能的优越性(1)核燃料提供的能量巨大：1 kg铀全部裂变释放的能量相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量(2)核燃料的储量丰富：1 l海水中含有大约0.03 g氘，它发生热核反应放出的能量相当于300 l汽油完全燃烧(3)核燃料的运输和储存方便(4)清洁卫生，对环境的污染小：不会排放二氧化碳、氮氧化物等2核安全性与核废料处理(1)核电站的安全性能第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块，可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内，不向外释放第二道屏障：性能良好的锆合金包壳把燃料芯块密封在其中，保证密封性良好第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界，保证结构的完整性第四道屏障：由安全壳把整个反应堆压力边界内的设备包括在内，能承受事故发生的压力并保证良好的密封性(2)核废料的处理：能回收利用的进行回收再利用，不能回收的高放射性物质固化后埋藏处理3科学家的使命：科学家的责任感：爱因斯坦曾参与建议美国政府制造原子弹，为此他在后半生常常责备自己对轻核聚变的理解学生用书p721聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变聚变反应又称为热核反应2聚变方程：hhhen3聚变发生的条件(1)微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即1015 m要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力(2)宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它们加热到几百万开尔文的高温聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去，在短时间内释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸4轻核聚变与重核裂变的区别反应方式比较项目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.1 l海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300 l汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站还都是用裂变反应释放核能目前，人们还不能控制它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简单得多氢弹是一种利用核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置，由于核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以要先利用原子弹作为引爆装置，因此，氢弹的威力要远大于原子弹下列说法正确的是()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，显然要吸收能量d裂变与聚变均可释放巨大能量思路点拨 分清聚变与裂变的区别与联系是解此题的关键解析a选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为两者的反应物与生成物全然不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；b选项，既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反；c选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温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，总的说来，聚变反应还是释放能量，故d正确答案d聚变就是使原先相距“较远”的核能克服库仑斥力而结合为一个“稳定”的新核，因此事先须让两核获得较大的初动能，常采用加热的方法 轻核聚变中能量的计算学生用书p73轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，具体的仍然分为：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光速(3108 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em931.5 mev.注意：式中m的单位为kg，式中m的单位是u，e的单位是mev.轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能，因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核时能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等原子核组成维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦已知太阳的质量为21030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.81026 w.(1)写出上述聚变反应的核反应方程；(2)已知质子质量mp1.672 61027 kg，he质量m6.645 81027 kg，电子质量me0.91030 kg，光速c3108 m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能；(3)根据题目中的数据计算太阳1秒钟减少的质量思路点拨 解答本题时应把握以下三点：(1)写核反应方程时注意元素符号和两个守恒(2)根据质能方程emc2，求释放的核能(3)根据质能方程emc2和ept求亏损的质量解析(1)2e4hhe.(2)根据质量亏损和质能方程，该核反应每发生一次释放的核能为e(4mp2mem)c2，代入数值e(41.672 6102720.9010306.645 81027)(3108)2 j4.21012 j.(3)由题中数据知太阳1秒钟释放的能量为3.81026 j，则太阳每秒减少的质量为m kg4109 kg.答案(1)2e4hhe(2)4.21012 j(3)4109 kg轻核聚变跟重核裂变一样，都是释放核能的核反应计算核能的方法是，先计算质量亏损，然后由爱因斯坦质能方程计算核能 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m3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？解析：(1)聚变方程 h2nh.(2)质量亏损mmh2mnm(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u释放的核能emc20.006 7931.5 mev6.24 mev.(3)平均每个核子放出的能量为 mev2.08 mev.答案：(1)h2nh(2)6.24 mev(3)2.08 mev关于轻核聚变中能量的转化问题学生用书p74两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)已知氘核质量md2.013 6 u，氦核质量mhe3.015 0 u，中子质量mn1.008 7 u.(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u931.5 mev)(2)若反应前两氘核的动能均为ekd0.35 mev.它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？思路点拨 这是一道核能与动量守恒和能量守恒的综合题，解题时要明确能量的转化过程，即核反应前两氘核的动能与核反应释放的核能之和全部转化为氦核与中子的动能解析(1)聚变的核反应方程为2hhen这个核反应中的质量亏损为m2md(mhemn)(22.013 63.015 01.008 7) u0.003 5 u释放的核能为e0.003 5931.5 mev3.26 mev.(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0mhevhemnvn又由于反应前后总能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为mhevmnve2ekd因为mhemn31，所以氦核和中子的速率之比把这两个关系代入式得e2ekd4mhev4ekhe即(3.2620.35) mev4ekhe得氦核的动能和中子的动能分别为ekhe(3.2620.35) mev0.99 mev.ekn3ekhe2.97 mev.答案(1)2hhen3.26 mev(2)0.99 mev2.97 mev该题常犯错误在于运用能量守恒定律时，没有将该反应过程中与原子核质量增减对应的能量吸收考虑进去，而认为作用前后的总动能相等 随堂检测学生用书p741下列核反应中属于核聚变的是()a.hhhenb.thpaec.unxesr2nd.beheon解析：选a.b项是衰变，c项是裂变；d项是人工转变；a项是轻核聚变2(多选)聚变与裂变相比，下列说法正确的是()a聚变比裂变产能效率高b在目前情况下，使原子核聚变要比裂变容易c原子弹的燃料是235ud氢弹的原理是核聚变，需由原子弹来引爆解析：选acd.聚变比裂变的平均结合能大，故a正确；在目前的条件下，核裂变要比核聚变容易得多，故b错误；原子弹利用的核裂变燃料为235u，氢弹利用的核聚变需原子弹引爆，故c、d正确3(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，表述正确的有()a.hhhen是核聚变反应b.hhhen是衰变c.unbakr3n是核裂变反应d.unxesr2n是衰变解析：选ac.a、b所列反应是核聚变，不是衰变，衰变要放出电子，故a对b错；c、d两种反应都是核裂变，故c对d错4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聚变反应一定比裂变反应每个核子释放的平均能量大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，故反应后质量增加解析：选b.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54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)所包含的氢核的粒子个数为6.01023个应释放出的总能量e为：e71056.01023 ev4.21029 ev6.721010 j.答案：见解析课时作业学生用书p121(单独成册)一、单项选择题1关于太阳辐射能的主要来源，下列说法中正确的是()a来自太阳中重元素裂变反应释放的核能b来自太阳中轻元素聚变反应释放的核能c来自太阳中碳元素氧化释放的化学能d来自太阳中本身贮存的大量内能解析：选b.太阳内部进行的是核聚变即热核反应，所以选b.2一个氘核(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解析：选b.一个氘核与一个氚核发生聚变的核反应方程是：hhhen.有质量亏损要放出能量，故只有b正确3太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的，其核反应方程是()a4hhe2eb.nheohc.unxesr10nd.uthhe解析：选a.热核聚变反应是指轻核结合为质量较重的核的反应，故a正确；b项中为实现原子核人工转变的反应c项中为裂变，d项中为衰变，均不属聚变反应，故b、c、d不正确4现阶段太阳向外辐射的能量是由于太阳内部氢核聚变产生的，大约在40亿年以后太阳内部将会启动另一种核反应，其核反应方程为：hehehec，到那时太阳向外辐射的能量是由上述两种核反应共同产生的已知he的质量为m1，c的质量为m2，则下列判断正确的是()a3m1m2b3m1m2c3m1m2 dm13m2解析：选a.由于核反应hehehec放出核能，根据爱因斯坦质能方程，可得3m1m2，故a项正确5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聚变反应发电解析：选b.聚变反应发生了质量亏损，释放出巨大的能量，产生了新的原子核，故a、c错误，b正确；目前核电站利用的是裂变反应而非聚变，故d错误6大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电氘核聚变反应方程是：hhhen.已知 h的质量为2.013 6 u, he的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u931 mev/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()a3.7 mev b3.3 mevc2.7 mev d0.93 mev解析：选b.氘核聚变反应的质量亏损为m22.013 6 u(3.015 0 u1.008 7 u)0.003 5 u，释放的核能为emc20.003 5931 mev/c2c23.3 mev，选项b正确二、多项选择题7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解析：选bd.a选项中n在质子的轰击下发生的核反应，属于人工转变，故选项a错误；c选项是衰变，不是裂变，即选项c错误8中共中央、国务院、中央军委曾在人民大会堂隆重表彰为研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是()a.nheohb.unsrxe10nc.uthhed.hhhen解析：选bd.两弹分别指原子弹和氢弹，原子弹利用的是重核裂变，氢弹利用的则是轻核的聚变，故b、d正确，a是原子核的人工转变，而c是衰变9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，再转化为电能b采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高c核电站对环境的污染比燃煤发电大d核燃料的危害主要是其具有放射性解析：选abd.核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，a正确；“内爆法”难度大，但材料利用率高，b正确；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，c错误；放射性对人体和环境都有危害，d正确10下列说法正确的是()a聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量b要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到11015 m，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：选ab.由质能方程可知，选项a正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达