4.3、4.4 核聚变 核能的利用与环境保护 学案 (1)

第3讲　核聚变
第4讲　核能的利用与环境保护
[目标定位]　1.了解聚变反应的特点及其条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类.4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．
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"E:\\杨营\\2015\\同步\\物理\\创新设计\\创新鲁科3-5\\全书完整的Word版文档\\预习导学.TIF"
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一、轻核聚变
1．定义
采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式获得核能的核反应，称为轻核聚变．
2．核反应举例
H＋H―→He＋n.
3．能量变化
轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．
二、可控热核聚变反应
1．热核聚变反应的条件
必须使原子核的距离达到10－15
m以下，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．
2．约束聚变材料的方法
引力约束、磁约束、惯性约束．
三、核能的利用与环境保护
1．核电站是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂，它的核心设施是核反应堆．
2．核武器
原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．
(1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．
(2)氢弹：是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置．
3．核能的优势与危害
(1)优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多．
(2)危害：核废料具有高放射性．
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一、核聚变及核能的计算
1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近到核力发生作用的距离10－15
m内，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：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是放能反应．
3．聚变方程：
H＋H―→He＋n＋γ.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
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
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容易得多
例1　以下说法正确的是(　　)
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开尔文以上的高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
答案　D
解析　从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等质量核，而聚变则是轻核聚合成为较重核，无直接关联，并非互为逆反应，A项错；既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反，B项错；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量，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，总的来说，聚变反应还是释放能量，故C项错，D项对．
例2　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mT＝3.018
0
u．求：
(1)写出聚变方程．
(2)释放出的核能是多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
答案　见解析
解析　(1)聚变方程H＋2n―→H.
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－mT＝(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.
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV＝2.08
MeV.
借题发挥　轻核聚变释放核能的计算方法
(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(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108
m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①
(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ΔE＝Δm的数值×931.5
MeV②
注意：式①中Δm的单位为kg，ΔE的单位是J；式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.
针对训练1　氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程：H＋H―→He＋n＋17.6
MeV
(1)这个核反应称为________．
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6
MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．
答案　(1)聚变　(2)放出　减少　3×10－29
解析　在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝≈3×10－29
kg.
二、核反应类型的判断
例3　下列说法不正确的是(　　)
A.H＋H―→He＋n是聚变
B.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是裂变
C.Ra―→Rn＋He是α衰变
D.Na―→Mg＋e是裂变
答案　D
解析　A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C选项是正确的；而D选项应是β衰变，不正确．故答案为D.
借题发挥　主要核反应类型有：
(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．
(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．
(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子．
(4)核聚变：轻核聚合成中等质量的核反应．
针对训练2　下列说法正确的是(　　)
A.N＋H―→C＋He是α衰变方程
B.H＋H―→He＋γ是核聚变反应方程
C.U―→Th＋He是核裂变反应方程
D.He＋Al―→P＋n是原子核的人工转变方程
答案　BD
解析　选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的α衰变，故选项B、D正确.
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对核聚变的理解及其核反应方程
1．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He＋He―→2H＋He，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
答案　B
解析　核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．
2．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
H＋C―→N＋Q1，H＋N―→C＋X＋Q2
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核
H
He
He
C
N
N
质量/u
1.007
8
3.016
0
4.002
6
12.000
0
13.005
7
15.000
1
以下推断正确的是(　　)
A．X是He，Q2>Q1
B．X是He，Q2>Q1
C．X是He，Q2D．X是He，Q2答案　B
解析　根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1核反应类型的判断
3．现有三个核反应：①Na―→Mg＋e　②U＋n―→Ba＋Kr＋3n　③H＋H―→He＋n.下列说法正确的是(　　)
A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变
B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变
C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变
D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变
答案　C
解析　原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变，①为β衰变．原子序数较大的重核分解成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变，②为裂变．原子序数较小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，③为聚变．故正确答案为C.
计算核聚变释放的能量
4．一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.014
1
u，氚核质量为m2＝3.016
0
u，氦核质量为m3＝4.002
6
u，中子质量为m4＝1.008
7
u，求：
(1)写出聚变的核反应方程；
(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？
答案　(1)H＋H―→He＋n
(2)17.5
MeV　3.5
MeV
解析　(1)核反应方程为H＋H―→He＋n.
(2)此反应过程的质量亏损为
Δm＝2.014
1
u＋3.016
0
u－4.002
6
u－1.008
7
u＝0.018
8
u，
ΔE＝0.018
8×931.5
MeV≈17.5
MeV.
平均每个核子释放的核能为
MeV＝3.5
MeV.
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(时间：60分钟)
题组一　对核聚变的理解
1．关于核聚变，以下说法不正确的是(　　)
A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15
m以内，核力才能起作用
D．地球上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
答案　B
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．但核聚变发电还没有投入实际运行．所以B项是不正确的．
2．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
答案　B
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．
3．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地(　　)
A．衰变反应
B．人工核反应
C．裂变反应
D．热核反应
答案　D
解析　太阳的内部时刻都在进行着轻核的聚变，即热核反应．
4．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是(　　)
A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损
B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加
C．裂变过程和聚变过程都有质量增加
D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损
答案　D
解析　重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．
5．一个氘核(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He
B．放出能量，生成的新核是He
C．吸收能量，生成的新核是He
D．放出能量，生成的新核是He
答案　B
解析　聚变过程中存在质量亏损，应放出能量．由核反应H＋H→n＋He，可知新核为He，B对．
题组二　聚变释放核能的计算
6．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
答案　AC
解析　H＋H→He＋n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故C项正确．
7．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30
MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26
MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为(　　)
A．21.04
MeV
B．35.56
MeV
C．77.64
MeV
D．92.16
MeV
答案　D
解析　6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30
MeV＝84.9
MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26
MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9
MeV＋7.26
MeV＝92.16
MeV，故D对．
8．氘和氚发生聚变反应的方程式是H＋H→He＋n＋17.6
MeV，若有2
g氘和3
g
氚全部发生聚变，NA为阿伏加德罗常数，则释放的能量是(　　)
A．NA×17.6
MeV
B．5NA×17.6
MeV
C．2NA×17.6
MeV
D．3NA×17.6
MeV
答案　A
解析　由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6
MeV能量和1个中子，则1
mol的氘和1
mol氚全部聚变成1
mol氦核时释放的能量为ΔE＝NA×17.6
MeV，故A对．
9．2006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，标志着我国磁约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(2m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废料具有放射性
答案　BD
解析　由核反应方程知2H→He＋X，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小．而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性．故A、C错误，B、D正确．
10．4个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出2.8×106
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？
答案　见解析
解析　该反应的核反应方程为：4H―→He＋2e.
由此可知，平均每个氢核反应释放出的能量为
E0＝
eV＝7×105
eV
1
g氢核(即1
mol)所包含的氢核的个数为6.0×1023(个)
应释放出的总能量E为：
E＝7×105×6.0×1023
eV＝4.2×1029
eV＝6.72×1010
J.
11．为了验证爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，设计了下面的实验：用动能E1＝0.9
MeV的质子去轰击静止的锂核Li，生成两个α粒子，测得这两个α粒子的动能之和E＝19.9
MeV.(质子、锂7核、α粒子的质量分别是1.007
3
u、7.016
u、4.001
5
u)
(1)写出该核反应方程式；
(2)计算核反应过程中释放的能量ΔE；
(3)通过计算说明ΔE＝Δmc2的正确性．
答案　(1)H＋Li―→2He　(2)18.9
MeV　(3)见解析
解析　可先计算核反应过程中的质量亏损Δm，再根据爱因斯坦质能方程，计算出核反应中释放的能量ΔE，并建立一个理想模型，释放的能量全部转化为系统的动能，计算出核反应中系统的动能的增加量E－E1.在误差允许的范围内，只要释放的能量ΔE与系统的动能的增加量E－E1近似相等，即可说明ΔE＝Δmc2是正确的．
(2)核反应过程中的质量亏损
Δm＝(1.007
3＋7.016
0－2×4.001
5)
u＝0.020
3
u.
根据爱因斯坦质能方程，计算出核反应中释放的能量．
ΔE＝0.020
3×931.5
MeV≈18.9
MeV.
(3)由实验知反应前后系统增加的动能是
E－E1＝(19.9－0.9)
MeV＝19.0
MeV.
这与核反应中释放的核能在误差允许的范围内近似相等，证明了质能方程ΔE＝Δmc2是正确的．
12．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：
p＋C―→N
N―→C＋e＋＋μ
p＋C―→N
p＋N―→O
O―→N＋e＋＋μ
p＋N―→C＋α
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量mp＝1.672
648×10－27
kg，α粒子的质量mα＝6.644
929×10－27
kg，正电子的质量me＝9.11×10－31
kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.00×108
m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．
答案　3.95×10－12
J
解析　为求出系列反应后释放的能量，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4p―→α＋2e＋＋2μ.
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q，
代入数据可得Q≈3.95×10－12
J.