学业分层测评53聚变与受控热核反应 5．4核能利用与社会发展

1、学业分层测评(十八)(建议用时：45分钟)学业达标1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多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，故反应后质量变多【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【答案】B2(多选)关于核聚变，以下说法正确的是( )A世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站B要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到1015 m以

2、内，核力才能起作用C地球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D核聚变比核裂变更易控制【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不易控制其发电还没有投入实际运行，所以B、C正确【答案】BC3(多选)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，正确说法正确的是( )A这种装置中发生的核反应方程式是HHHenB由核反应过程质量

3、守恒可知m1m2m3m4C核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同【解析】核反应方程为HHHen，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量Emc2(m1m2m3m4)c2，选项B错误，C正确；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电，故D错误【答案】AC4太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应核反应方程是4HHe2X，这个核反应释放出大量核能已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的

4、是( )A方程中的X表示中子(n)B方程中的X表示电子(e)C这个核反应中质量亏损m4m1m2D这个核反应中释放的核能E(4m1m22m3)c2【解析】由质量数守恒和核电荷数守恒可知，方程中的X表示电子e，A、B错误；该反应中质量亏损m4m1m22m3，释放的核能Emc2(4m1m22m3)c2，C错误，D正确【答案】D5(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是HnH，以下说法中正确的是( ) 【导学号：06092094】A反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B反应前后的质量数不变，因而质量不变C光子的能量为mc2，m为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速

5、度D因存在质量亏损m，所以“物质不灭”的说法不正确【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C.【答案】AC6一个氘核(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( ) 【导学号：06092095】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】聚变过程中存在质量亏损，应放出能量由核反应HHnHe，可知新

6、核为He，B对【答案】B7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，相关的原子核质量如表：原子核HHHeCNN质量/u1.007 83.016 64.002 612.000 013.005 715.000 1则可以推断X是_，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1_Q2.【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为He，式的质量亏损为m11.007 8 u12.000 0 u13.005 7 u0.002 1 u式的质量亏损为m21.007 8 u15.000 1 u12.000 0 u4.002 6 u0.005 3

7、u，所以m2>m1根据质能方程Emc2可求解Q2>Q1.【答案】He<8如下一系列核反应是在恒星内部发生的：pCNNCepCNpNOONepNC其中p为质子，为粒子，e为正电子，为一种中微子已知质子的质量mp1.672 648×1027 kg，粒子的质量m6.644 929×1027 kg，正电子的质量me9.11×1031 kg，中微子的质量可忽略不计真空中的光速c3×108 m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量【解析】为求出系列反应完成后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4

8、p2e2.设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得Q(4mpm2me)c2代入数据可得Q3.95×1012 J.【答案】3.95×1012 J能力提升9(多选)如图5­3­1所示，托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera (真 空 室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词根据以上信息，下列判断中可能正确的是( )图5­3­1A这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B线圈的作用是通电

9、产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D该装置是利用聚变物质的惯性进行约束【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置是科学家设想的其中一种方案，另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束，故D错【答案】AB10(多选)2019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，这标志着我国磁约

10、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He所释放的核能为(2m1m3m4)c2D两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1m3m2)c2【解析】由核反应方程2HHeX知，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，而现行的裂变反应的废料具有很

11、强的放射性，故A、C错误，B、D正确【答案】BD11我国自行设计并研制的“人造太阳”托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列该反应所进行的聚变过程是HHHen，反应原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(Li)的人工核转变得到(1)请把下列用中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：_n_H.(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol1)(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的

12、能量为5.6×1013 J，求该核聚变过程中的质量亏损【解析】(1)核反应方程为：LinHeH.(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的Li也为mol，所以有2.0×1023个Li实现了核转变(3)根据爱因斯坦质能方程Emc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量E5×5.6×1013J2.8×1012 J，所以质量亏损为m kg3.1×1029 kg.【答案】(1)LiHe(2)2.0×1023个(3)3.1×1029 kg12核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染

13、等优势的新能源近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u1.66×1027 kg. 【导学号：06092047】(1)写出氘和氚聚变的反应方程；(2)试计算这个核反应释放出来的能量；(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)【解析】(1)氘和氚聚变的反应方程为HHHen.(2)该反应过程的质量亏损m2.0141 u3.0