(共20张PPT)
第5章
第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保护
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A 级 必备知识基础练
1.(多选)在某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,则下列说法正确的是( )
A.这是一个聚变反应
C.目前核电站都采用上述核反应发电
D.该核反应没有质量亏损
AB
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解析 1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,反应方程为 ,这是聚变反应,故A、B正确;目前核电站采用核裂变发电,故C错误;该反应放出热量,所以一定有质量亏损,故D错误。
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2.如图所示,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,下列判断错误的是( )
A.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.线圈的作用是通电时产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不飞出
C.这种装置是科学家设想的其中一种方案
D.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束
D
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解析 聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A正确;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飞出,故B正确;该装置是科学家设想的其中一种方案:磁约束装置,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故C正确,D错误。
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3.2021年12月31日,国家重大科技基础设施EAST人造太阳核聚变实验装置取得重大突破,实现了1 056秒的长脉冲高参数等离子体运行,创造托卡马克实验装置高温等离子运行新的世界纪录。“人造太阳”核反应的方程为
C
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A.3m1>m2 B.3m1C.3m1=m2 D.m1=3m2
A
解析 由于发生上述核聚变时释放核能,根据爱因斯坦质能方程可知,该反应存在质量亏损,所以3m1>m2,故A正确。
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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 聚变反应发电
B
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解析 聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的新核,聚变过程会有质量亏损,要放出大量的能量,但目前核电站都采用铀核的裂变反应,可控的轻核聚变尚在实验阶段。故A、C、D错误,B正确。
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解析 根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子。
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7.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u,1 u相当于931.5 MeV的能量。
(1)写出聚变方程。
(2)求释放出的核能是多大。(结果保留三位有效数字)
(3)求平均每个核子释放的能量是多大。
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(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m
=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u
释放的核能ΔE=0.006 7×931.5 MeV=6.24 MeV。
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B 级 关键能力提升练
8.(多选)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3和m4,如果氘核和氚核结合生成氦核,则下列说法正确的是( )
B.这是一个裂变反应
C.核反应过程中的质量亏损Δm=m1+m2-m3
D.核反应过程中释放的核能ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2
AD
解析 核反应过程中质量数和电荷数守恒,由此可知A正确;该核反应为聚变反应,故B错误;该反应中的质量亏损为Δm=m1+m2-m3-m4,故C错误;根据质能方程得ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故D正确。
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AC
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mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;
mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg。
试写出核反应方程,求出反应中释放的核能。
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解析 根据反应前后质量数守恒和电荷数守恒,可以写出核反应方程。
根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程可求出释放的核能。
则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28 kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2=3.578×10-28 ×(3×108)2 J=3.220 2×10-11 J。
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11.太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源。(mp=1.007 3 u,mHe
=4.002 6 u,me=0.000 55 u,1 u的质量对应的能量为931.5 MeV)
(1)写出这个核反应方程。
(2)这一核反应能释放多少能量
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少
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(2)反应前的总质量为
m1=4mp=4×1.007 3 u=4.029 2 u
反应后的总质量为
m2=mHe+2me=(4.002 6+2×0.000 55)u=4.003 7 u
质量亏损为Δm=m1-m2=0.025 5 u
根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为
ΔE=0.025 5×931.5 MeV=23.75 MeV。
(3)根据爱因斯坦质能方程得太阳每秒减少的质量为第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保护
A级 必备知识基础练
1.(多选)在某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,则下列说法正确的是( )
A.这是一个聚变反应
B.核反应方程式为HHen
C.目前核电站都采用上述核反应发电
D.该核反应没有质量亏损
2.如图所示,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,下列判断错误的是( )
A.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.线圈的作用是通电时产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不飞出
C.这种装置是科学家设想的其中一种方案
D.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束
3.2021年12月31日,国家重大科技基础设施EAST人造太阳核聚变实验装置取得重大突破,实现了1 056秒的长脉冲高参数等离子体运行,创造托卡马克实验装置高温等离子运行新的世界纪录。“人造太阳”核反应的方程为HHe+X,下列说法正确的是( )
A.核反应方程中的X为质子
B.该反应需要吸收能量
CHe的比结合能大于H的比结合能
D.He的平均核子质量大于H的平均核子质量
4.现在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He+HeC,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m1C的质量为m2,则下列判断正确的是( )
A.3m1>m2
B.3m1C.3m1=m2
D.m1=3m2
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HeHeHe。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
6.U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba,还放出 个中子。
7.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u,1 u相当于931.5 MeV的能量。
(1)写出聚变方程。
(2)求释放出的核能是多大。(结果保留三位有效数字)
(3)求平均每个核子释放的能量是多大。
B级 关键能力提升练
8.(多选)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3和m4,如果氘核和氚核结合生成氦核,则下列说法正确的是( )
A.核反应方程为HHen
B.这是一个裂变反应
C.核反应过程中的质量亏损Δm=m1+m2-m3
D.核反应过程中释放的核能ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2
9.(多选)恒星内部发生着各种热核反应,其中“氦燃烧”的核反应方程为He+Be+γ,其中X表示某种粒子Be是不稳定的粒子,其半衰期为T,则下列说法正确的是( )
A.X粒子是He
BBe的衰变需要外部作用激发才能发生
C.经过3个T,剩下的Be占开始时的
D.“氦燃烧”的核反应是裂变反应
10.用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下:
mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;
mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg。
试写出核反应方程,求出反应中释放的核能。
11.太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源。(mp=1.007 3 u,mHe=4.002 6 u,me=0.000 55 u,1 u的质量对应的能量为931.5 MeV)
(1)写出这个核反应方程。
(2)这一核反应能释放多少能量
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少
第4节 核裂变和核聚变
第5节 核能的利用与环境保护
1.AB 1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,反应方程为HHen,这是聚变反应,故A、B正确;目前核电站采用核裂变发电,故C错误;该反应放出热量,所以一定有质量亏损,故D错误。
2.D 聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A正确;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飞出,故B正确;该装置是科学家设想的其中一种方案:磁约束装置,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故C正确,D错误。
3.C 根据核反应方程电荷数守恒和质量数守恒可知X的电荷数为0,质量数为1,即X为中子,故A错误;核聚变放出能量He的比结合能大于H的比结合能,故B错误,C正确;由爱因斯坦的质能方程可知,该核反应有质量亏损,所以He的平均核子质量小于H的平均核子质量,故D错误。
4.A 由于发生上述核聚变时释放核能,根据爱因斯坦质能方程可知,该反应存在质量亏损,所以3m1>m2,故A正确。
5.B 聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的新核,聚变过程会有质量亏损,要放出大量的能量,但目前核电站都采用铀核的裂变反应,可控的轻核聚变尚在实验阶段。故A、C、D错误,B正确。
6.答案 3
解析 根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子。
7.答案 (1H+nH
(2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV
解析 (1)聚变方程为H+nH。
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m
=(1.0073+2×1.0087-3.0180)u=0.0067u
释放的核能ΔE=0.0067×931.5MeV=6.24MeV。
(3)平均每个核子释放的能量为MeV=2.08MeV。
8.AD 核反应过程中质量数和电荷数守恒,由此可知A正确;该核反应为聚变反应,故B错误;该反应中的质量亏损为Δm=m1+m2-m3-m4,故C错误;根据质能方程得ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故D正确。
9.AC 根据质量数与质子数守恒He+XBe+γ,则X粒子是He,故A正确;衰变是自发的,不需要外部作用激发也能发生,故B错误;经过1个半衰期,有半数发生衰变,即剩下开始时的一半,那么经过3个T,剩下的Be占开始时的,故C正确;“氦燃烧”的核反应方程是聚变反应,不是裂变反应,故D错误。
10.答案 UBaKr+n 3.220 2×10-11 J
解析 根据反应前后质量数守恒和电荷数守恒,可以写出核反应方程。
根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程可求出释放的核能。
铀核裂变方程为UBaKr+n,
则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2=3.578×10-28×(3×108)2J=3.2202×10-11J。
11.答案 (1)HHe+e (2)23.75 MeV (3)4.2×109 kg
解析 (1)核反应方程是HHeX,而X只能是2个正电子,因此核反应方程是HHe+e。
(2)反应前的总质量为
m1=4mp=4×1.0073u=4.0292u
反应后的总质量为
m2=mHe+2me=(4.0026+2×0.00055)u=4.0037u
质量亏损为Δm=m1-m2=0.0255u
根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为
ΔE=0.0255×931.5MeV=23.75MeV。
(3)根据爱因斯坦质能方程得太阳每秒减少的质量为
Δm'=kg=4.2×109kg。(共31张PPT)
第5章
第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保护
课标要求
1.知道重核裂变和轻核聚变。(物理观念)
2.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。(物理观念)
3.了解核能的利用与环境保护。(物理观念)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、重核裂变
1.核裂变:用 轰击铀核,铀核分裂成两个质量相近的两部分,这种核反应过程称为核裂变。
2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是 。
中子
二、链式反应
1.链式反应:当一个 引起一个重核 后,裂变释放的______ 再引起其他重核 ,且能不断继续下去,这种反应叫核裂变的链式反应。
2.临界体积:能发生裂变反应的铀块的 称为临界体积。
3.链式反应的条件:发生裂变物质的体积不小于 。
三、轻核聚变
1.核聚变:采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能,这样的核反应称为核聚变。
2.氢核聚变的核反应方程为 。
中子
裂变
中子
裂变
最小体积
临界体积
四、可控热核聚变
1.使轻核发生聚变的条件:必须使它们的间距达到核力作用的范围。
2.控制方法:①引力约束;②磁约束;③惯性约束。
五、核能的利用与环境保护
1.核电站:将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。
2.核能的优势:产热效率高、安全运行的情况下污染小。
3.核污染的处理:在反应堆的外面需要修建很厚的 ,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器,深埋地下。
水泥层
放射性
易错辨析 判一判
(1)铀块的体积不小于临界体积时链式反应才能不停地进行下去。( )
(2)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。( )
(3)核聚变时吸收能量。( )
(4)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。( )
√
提示 中子的速度太快,不易被铀核俘获,不容易发生铀核裂变。
提示 核聚变时放出能量。
×
×
√
即学即用 练一练
(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( )
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
BC
解析 用中子轰击 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。
重难探究·能力素养全提升
探究一 核裂变
情境探究
如图所示为铀核核裂变示意图。
(1)铀核裂变是如何发生的 写出上图所示铀核裂变的核反应方程。
要点提示 只有铀块体积不小于临界体积才能发生链式反应。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
要点提示 当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应。
知识归纳
1.铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程
2.链式反应的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积。
(2)铀块的质量不小于临界质量。
画龙点睛 铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。
应用体验
典例1 关于重核的裂变,以下说法正确的是( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
D
解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的,即铀块的体积必须不小于其临界体积。如果体积小,中子从铀块中穿过,碰不到原子核,则链
粒子质量分别为mU=235.043 9 u,mn=1.008 67 u,mSr=89.907 7 u,mXe=135.907 2 u,质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)=0.150 97 u。可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的,核子数是不会减少的,因此选项A、B、C错误,D正确。
规律方法 裂变问题的分析方法
1.对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质
量数和电荷数守恒的方程都能发生。
2.根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
针对训练1
原子弹和核能发电的工作原理都是核裂变。一种典型的铀核裂变的核反
A.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数减少
B.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量不变
C.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量减少
D.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数增加
C
解析 铀核裂变反应过程中,质量数守恒,X的质量数235+1-89-3=144,可知X原子核中含有144个核子;电荷数守恒,92-36=56,所以X中的中子数为144-56=88,即X原子核中含有88个中子,在核反应的过程中,质量数是守恒的。总质量数既不减小,也不增加,存在质量亏损,故C正确,A、B、D错误。
探究二 核聚变和核能的计算
情境探究
万物生长靠太阳。太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,一旦没有了太阳,地球上的一切生物都将随之消失。
你知道太阳的能量来源吗
要点提示 来源于太阳内部的核聚变反应。
知识归纳
1.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离
10-15 m,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:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.聚变方程
质量数守恒,电荷数守恒
4.重核裂变与轻核聚变的区别
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
可控性 速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用重核裂变反应释放核能 目前人们还不能控制轻核聚变
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4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
应用体验
典例2 太阳能源于其内部的聚变反应,太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核,太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026 J,下列说法正确的是( )
A.该聚变反应在常温下也容易发生
B.太阳每秒钟减少的质量约4.4×109 kg
D.目前核电站采用的核燃料主要是氢核
B
解析 核聚变反应也叫热核反应,聚变反应必须在很高的温度下才能发生,温度要达到几百万开尔文才可以,故A错误;根据ΔE=Δmc2可得太阳每秒钟减少的质量约为Δm= kg=4.4×109 kg,故B正确;根据氢核的聚变过程中,质量数和电荷数守恒可知其反应方程为 ,故C错误;目前核电站采用的核燃料主要是铀原子核,因为重核裂变反应是可控的,故D错误。
针对训练2
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mD=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u。
(1)写出聚变方程并算出释放的核能;(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV)
(2)若反应前两个氘核的动能均为EkD=0.35 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
该反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003 5 u
由质能方程得释放核能ΔE=Δm×931.5 MeV=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。
(2)将两个氘核作为一个系统,由动量守恒有
代入数据可得EkHe=0.99 MeV,Ekn=2.97 MeV。
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1.(多选)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1×10-15 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
AB
解析 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到核力能发生作用的范围,才能使它们紧密地结合起来,选项B正确,C错误;热核反应必须在很高的温度下才能发生,不一定要人工控制,选项D错误。
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2.关于对下列核反应方程式的描述,正确的是( )
A
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3.(多选)关于重核裂变的说法正确的是( )
A.重核裂变为两个中等质量的核时,重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块,就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生,不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量,质量亏损
AD
解析 重核裂变为两个中等质量的核时,会产生两到三个中子,因而分裂后的中子数减小,选项A正确;链式反应的发生是有条件的,铀块的体积必须不小于其发生链式反应的临界体积,链式反应一旦发生,中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变,且能不断继续下去,选项B、C错;重核裂变时质量发生亏损,总能量减小,减小的能量对外释放,选项D正确。
