4.3 核聚变、 4.4 核能的利用与环境保护 学案

第3节核聚变
第4节核能的利用与环境保护
课　标　解　读
重　点　难　点
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.
1.轻核聚变反应的条件及其特点．(重点)2.核聚变释放能量的计算．(重点)3.约束方式的原理与特点．(难点)
轻核聚变及可控热核聚变反应
1.基本知识
(1)轻核聚变
采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称为轻核聚变．
(2)太阳内部核聚变的反应方程
H＋H→He＋n.
(3)核子聚变的条件
要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围．
(4)物质第四态——等离子态
高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变．
(5)约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束．
2．思考判断
(1)太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×)
(2)轻核发生聚变反应不需要条件．(×)
(3)轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√)
3．探究交流
为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？
【提示】　氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹.
核能的利用及环境保护
1.基本知识
(1)核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．
工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能．
燃料：反应堆以U为燃料．
(2)核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．
(3)核能的优势
①核能发电比燃煤发电的成本低．
②核电站对环境污染比燃煤发电小得多．
(4)核能利用存在的危害
①核废料的高辐射性．
②放射性物质泄漏，产生核污染．
③核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏．
2．思考判断
(1)太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应进行．(√)
(2)磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场，将等离子体约束在环形真空室内．(√)
(3)目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电．(×)
3．探究交流
原子弹和氢弹的原理有何不同？
【提示】　(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，它利用H和H迅速地聚变成He，产生比原子弹更为强烈的爆炸．
轻核聚变反应的理解
【问题导思】　
1．聚变反应过程中平均结合能如何变化？
2．聚变反应发生的条件是什么？
3．氢弹是轻核聚变反应吗？
1．从平均结合能的图线看，聚变后平均结合能增加，因此反应中会释放能量．
例如：H＋H―→He＋n＋17.51
MeV
2．聚变发生的条件
要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15
m，但是原子核是带正电的，要使它们之间的距离接近10－15m就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温．
3．氢弹
氢弹是一种利用轻核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置．由于轻核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以先利用原子弹爆炸达到这样高的温度，在高温高压下，进而使核燃料发生核反应，原子弹爆炸时产生的高温，可以使其中的轻核发生如下核反应
H＋H―→H＋H＋4.0
MeV
H＋H―→He＋n＋17.51
MeV
H＋H―→He＋n＋3.25
MeV
He＋H―→He＋H＋18.3
MeV
所以氢弹爆炸时能释放更为巨大的能量．
　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)写出聚变方程；
(2)求释放出的核能多大？
(3)求平均每个核子释放的能量是多大？
【审题指导】　(1)根据电荷数守恒和质量数守恒写核反应方程．
(2)根据已知质量计算出核反应中的质量亏损．
(3)根据爱因斯坦质能方程求释放的核能．
【解析】　(1)聚变方程：H＋2n→H.
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－m
＝(1.007
3＋2×1.008
7－3.018
0)u＝0.006
7u，
释放的核能ΔE＝Δmc2＝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.
【答案】　(1)H＋2n―→H
(2)6.24
MeV　(3)2.08
MeV
1．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．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2
D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2
【解析】　“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为H＋H―→He＋n，而B选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2，而核能大小的计算公式为E＝mc2，故选项A、C正确．
【答案】　AC
核能的利用与环境保护
【问题导思】　
1．核能与常规能源相比有哪些明显优势？
2．如何解决核能利用与环境保护的关系？
3．怎样才能很好的处理核废料？
1．核能利用
核原料提供的能量巨大，1
kg铀释放的全部能量大约相当于2
700
t标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．
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．
2．环境保护
核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．
3．废料处理
对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．
4．核电站
(1)原理
原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．
(2)优点
①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30
t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．
②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．
　关于核能的利用，下列说法正确的是(　　)
A．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆
B．在地球上，人类还无法实现聚变反应
C．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”
D．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能
【解析】　现有核电站均为重核裂变反应释放能量．而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A、D错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术．但还不能实现大规模的受控核聚变，故B错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故C正确．
【答案】　C
2．为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4
000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(　　)
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
【解析】　目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．
【答案】　AC
综合解题方略——聚变反应和裂变反应的比较
　　
　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度以上高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大能量
【规范解答】　聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C错、D正确．
【答案】　D
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
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简单得多
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235U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，除氢弹以外，人们还不能控制它
【备课资源】(教师用书独具)
热聚变堆
现在，物理学家终于成功研制出了热聚变堆．凭着对聚变反应的研究，我们有望摆脱核裂变发电厂带来的诸多问题——比如核废料，核武原料，亦或是炉心熔解．最前沿的在建聚变反应堆是ITER，国际热核聚变试验反应堆．其核心，托卡马克反应装置用磁场约束氘和氚，再用微波将其加热到15亿摄氏度．该热量可以驱动涡轮机，进而发电．若于2019年建成后，ITER的发电能力将达到五十万千瓦，但是——ITER只供实验使用．真正想等发电用的聚变堆，最乐观的估计也要到2040年．
另外，如果想要完全将聚变堆用于发电，还需要解决两个问题：一是什么材料能够挡住反应副产物带来的高强度的辐射，二是重达10
t的零部件应该由怎样的机器人去替换.
1．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】　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．
【答案】　ABD
2．(2013·芜湖检测)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
【解析】　聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，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．因此B正确．
【答案】　B
3．(2012·榆林检测)北京成功地举办了一届“绿色奥运”，场馆周围80%～90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水采用了全玻璃真空太阳能集热技术．太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是(　　)
A．4H―→He＋2e
B.N＋He―→O＋H
C.U＋n―→Xe＋Sr＋10n
D.U―→Th＋He
【解析】　热核聚变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项中为裂变反应，D项中为衰变，均不属聚变反应．故B、C、D不正确．
【答案】　A
4．(2013·西安一中检测)核电站与原子弹都是利用核裂变释放的能量．
(1)核电站的工作原理是利用反应堆释放的________产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机产生________；
(2)广岛原子弹“小男孩”释放的能量为2万吨TNT，如果1
g铀235完全裂变产生的能量为8.2×1010
J，并假定能量全部释放出来，那么“小男孩”要消耗多少铀235？(1
kgTNT＝4.2×106
J)
【解析】　(1)核电站把裂变的核能转化为电能．
(2)2万吨TNT的能量值
E1＝2×104×103×4.2×106
J＝8.4×1013
J.
消耗的铀235
m＝＝
g≈1.0×103
g＝1.0
kg.
【答案】　(1)核能　电能
(2)1.0
kg
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】　B
2．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026
J，这些能量是(　　)
①重核的裂变反应中产生的　②轻核的聚变反应中产生的　③原子核的衰变反应中产生的　④热核反应中产生的
A．①②　　B．②③　　C．③④　　D．②④
【解析】　由于太阳的主要成分是氢，它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应．这一反应又叫热核反应，故D正确．
【答案】　D
3．(2013·青岛二中检测)关于核电站，以下说法正确的是(　　)
A．核电站中的核反应是无法控制的
B．目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核聚变
C．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用
D．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用
【解析】　目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，其反应是可以通过控制棒控制反应速度的，A、B均错．采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量，C对．核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D错．
【答案】　C
4．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235U
D．氢弹的原理是核的聚变，需由原子弹来引爆
【解析】　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很多，故B错；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．
【答案】　ACD
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
【解析】　一个氘核与一个氚核发生聚变的核反应方程是：H＋H―→He＋n，有质量亏损要放出能量，故只有B正确．
【答案】　B
6．(2013·龙岩检测)我国在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，打破了西方的核讹诈．下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是(　　)
A.N＋He―→O＋H
B.U＋n―→Sr＋
Xe＋10n
C.U―→Th＋He
D.H＋H―→He＋n
【解析】　“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程是铀核裂变，B选项正确，氢弹的核反应方程是轻核聚变，D选项正确．
【答案】　BD
7．1994年3月，中国科技大学研制成功了比较先进的HT 7型超导托卡马克(Tokamak)，托卡马克是研究受控核聚变的一种装置，根据以上信息，下述判断中错误的是(　　)
A．反应原理是氢的原子核在装置中聚变成氦核，同时释放大量能量，与太阳发光的原理相类似
B．线圈的作用是通电线圈产生磁场使氦核等带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C．这种装置与核电站所使用核装置的反应原理相同
D．这种装置可以控制热核反应的速度，使聚变能缓慢而稳定地释放
【解析】　太阳发光原理是轻核聚变，A正确；通电线圈产生磁场能约束氦核不溢出，B正确；核电站核反应原理是重核裂变，C错误；这种装置实现了可控核聚变，D正确．
【答案】　C
8．在发生2H→He＋n＋3.26
MeV中，若有2
g氘核全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)(　　)
A．0.5×3.26
MeV　　　　
B．3.26
MeV
C．0.5NA×3.26
MeV
D．NA×3.26
MeV
【解析】　由聚变反应方程知道，两个氘核聚变放出3.26
MeV的能量，2
g氘核中有NA个氘核，所以，2
g氘核发生聚变，释放的能量是0.5NA×3.26
MeV，C项正确．
【答案】　C
9．(2013·威海高二检测)在某些恒星内，3个α粒子结合成1个6C核，6C原子的质量是12.000
0
u，He原子的质量是4.002
6
u．已知1
u＝1.66×10－27
kg，则(　　)
A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.007
8
u
B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.29×10－29
kg
C．反应过程中释放的能量是7.26
MeV
D．反应过程中释放的能量是1.16×10－19
J
【解析】　由题目可得此核反应的方程为3
He―→C＋ΔE，则反应前后的质量亏损为Δm＝(3×4.002
6－12.000
0)u＝0.007
8×1.66×10－27
kg＝1.29×10－29
kg，由质能方程ΔE＝Δm·c2＝1.29×10－29×(3.0×108)2
J＝1.161×10－12
J＝7.26
【答案】　ABC
10．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．
(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千克？(mp＝1.007
3
u，mHe＝4.001
5
u，me＝0.000
55
u)
【解析】　(1)核反应方程：4H―→He＋X，而X只能是2个正电子，因此核反应方程应为4H―→He＋2e.
(2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.007
3
u＝4.029
2
u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001
5
u＋2×0.000
55
u＝4.002
6
u，Δm＝m1－m2＝0.026
6
u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026
6×931.56
MeV＝24.78
MeV.
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得，太阳每秒减少的质量Δm＝＝
kg＝4.2×109
kg.
【答案】　(1)4H→He＋2e
(2)24.78
MeV　(3)4.2×109
kg
11．每昼夜消耗220
g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率是多大？(每个铀核裂变放出的能量是200
MeV)
【解析】　220
g铀235中含铀核数量为
N＝×6.02×1023个＝5.64×1023个
N个铀核裂变放出能量为
E总＝5.64×1023×200
MeV＝1.13×1026
MeV
转化成电能为
E有＝E总×25%＝2.83×1025
MeV＝2.83×1025×106×1.6×10－19
J＝4.53×1012
J
一昼夜时间为t＝24×3
600
S＝86
400
S
所以电功率P＝＝
W＝5.24×107
W.
【答案】　5.24×107
W