第5章第5.5节 裂变和聚变
题型1 重核的裂变及反应条件 题型2 核裂变的反应方程
题型3 重核裂变的应用（核电站与反应堆） 题型4 链式反应的条件与控制
题型5 轻核的聚变及反应条件 题型6 核聚变的反应方程
题型7 轻核聚变的应用
▉题型1 重核的裂变及反应条件
【知识点的认识】
1.定义：重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。
2.条件：
①重元素：只有一些质量非常大的原子核（如铀、钚等）才能发生核裂变。
②中子轰击：这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和巨大的能量。
③链式反应：如果铀﹣235核裂变产生的中子又去轰击其余的铀﹣235，将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。
这种链式裂变反应能够维持下去的条件是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变，这种状态称为“临界状态“。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
1．典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出x个中子：，铀235质量为m1，中子质量为m2，钡144质量为m3，氪89的质量为m4．下列说法正确的是（ ）
A．该核反应类型属于人工转变
B．该反应放出能量
C．x的值是3
D．该核反应比聚变反应对环境的污染较少
▉题型2 核裂变的反应方程
【知识点的认识】
重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。反应的方程式例如：
Un→BaKr+3
或Un→XeSr+2n
或Pun→BaKr+3n
（多选）2．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象，说明原子核有复杂的内部结构。天然放射现象：有两种衰变（α、β），三种射线（α、β、γ），其中γ射线是衰变后新核处于激发态，向低能级跃迁时辐射出的。衰变快慢与原子所处的物理和化学状态无关。1896年，在贝克勒尔的建议下，玛丽﹣居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素——钋（Po）镭（Ra）。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，发现了质子，并预言原子核内还有另一种粒子——中子。下列关于原子物理知识说法正确的是（ ）
A．甲图为氢原子的能级结构图，当氢原子从基态跃迁到激发态时，不放出能量
B．乙图中重核裂变产生的中子能使核裂变反应连续的进行，称为链式反应，其中一种核裂变反应方程为
C．丙图为光电效应中光电子最大初动能与入射光频率的关系图线，不同频率的光照射同种金属发生光电效应时，图线的斜率一定相同
D．核反应方程中，X是中子
▉题型3 重核裂变的应用（核电站与反应堆）
【知识点的认识】
1.原子弹：原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够放出大量核能，发生猛烈爆炸。
2.反应堆与核电站
①用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆．反应堆主要由核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统和防护层等构成．
②通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数，以形成所谓的自持链反应（self﹣sustaining chain reaction）．
③核电站就是利用核反应堆来发电的。
3．关于下列四幅图的说法正确的是（ ）
A．图甲中，公路上对各类汽车都有限速，是因为汽车速度越大惯性越大
B．图乙中，频率越小的水波绕到挡板后面继续传播的现象越明显
C．图丙中A管内发生的是毛细现象，B管内发生的不是毛细现象
D．图丁是核反应堆示意图，其中石墨是慢化剂，其作用是减缓核反应速度
4．铀235是核电站的主要核燃料，核反应堆在工作时，铀235既发生裂变，也发生衰变。铀235裂变方程为：，衰变方程为：，则下列说法正确的是（ ）
A．X的质量数为146，Y的电荷数为90
B．的比结合能小于的比结合能
C．裂变过程温度升高，铀235的半衰期会变小
D．反应堆中镉棒（吸收中子）插入深一些将会加快核反应速度
▉题型4 链式反应的条件与控制
【知识点的认识】
1.链式反应的定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
2.链式反应的特点：利用一个中子轰击一个轴核，使轴核发生裂变，在反应中还放出2个中子，中子对未反应的轴核再进行轰击，从而使核反应出现连锁反应，使在短时间内出现积累效应．
3.链式反应的条件：能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量．
4.链式反应的控制：通过核反应堆进行控制。
核反应堆的工作原理为：
①热中子反应堆中铀棒是核反应的燃料。
②在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨，重水和普通水（也叫轻水）。
③为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫作控制棒。
④在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。
5．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（ ）
A．甲图为核反应堆示意图，将镉棒插入深一些，能使链式反应速度增大
B．乙图为卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，推断出原子核内部还有复杂的结构
C．丙图中人体体温越高，红外测温枪接受到最强辐射波长越短
D．丁图中工业上利用放射性同位素产生的α射线来对钢板的厚度进行自动控制
▉题型5 轻核的聚变及反应条件
【知识点的认识】
1.定义：两个轻核结合成质量较大的核、这样的核反应叫作核聚变。
2.条件：在超高温条件下才能发生，所以核聚变反应又叫热核反应。
3.太阳辐射的能量来自核聚变。
6．下列说法正确的是（ ）
A．甲图为光电效应实验，验电器和锌板带异种电荷
B．乙图为岩盐的分子结构，敲碎的岩盐总是呈立方形状，是因为容易在虚线处断开
C．丙图中，轻核能发生聚变的条件是克服库仑斥力，而不是克服核力
D．戳破丁图中棉线右侧的肥皂泡，棉线会受到垂直于肥皂泡平面且垂直于棉线的力使之向左弯曲
7．氘核可通过一系列聚变反应释放能量，总的反应效果可用表示，式中x、y的值分别为（ ）
A．x＝1，y＝2 B．x＝1，y＝3 C．x＝2，y＝2 D．x＝3，y＝1
▉题型6 核聚变的反应方程
【知识点的认识】
1.核聚变的定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应．
2.核聚变反应方程举例：：HH→Hen+17.6MeV。
8．太阳的能量主要通过质子﹣质子链反应（简称PP链）产生，太阳产生的能量约99%来自该链反应。该链反应中的一个核反应方程为，已知的比结合能为E1，的比结合能为E2，下列说法正确的是（ ）
A．X是质子
B．反应物的总结合能大于生成物的总结合能
C．的比结合能大于的比结合能
D．该核反应释放的核能为2E1﹣E2
9．太阳内部的核反应主要是氢元素转变为氦元素的核反应，其中一种核反应方程是H→Xe，则下列说法正确的是（ ）
A．X是 B．此核反应是α衰变
C．此核反应是β衰变 D．来自原子核
10．2023年4月13日，中国人造太阳”反应堆中科院环流器装置（EAST）创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步。下列关于核反应的说法正确的是（ ）
A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B．核聚变的核反应方程为
C．核聚变的核反应燃料主要是铀235
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
11．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）
（1）写出氘和氚核聚变的核反应方程式；
（2）只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小；
（3）如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为v0的粒子。
①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ＝37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L；
②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。
▉题型7 轻核聚变的应用
【知识点的认识】
1.目前轻核的聚变主要应用在核武器上，氢弹的原理图如下，首先由化学炸药引爆原子弹，再由晕啊子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
2.核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
①磁约束 带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。环流器（即tokamak，音译为托卡马克）是目前性能最好的一种磁约束装置。“人造太阳”即是以此为基础进行开发设计的。
②惯性约束 利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在我国，中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。
总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走。
12．2023年4月12日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置创造了新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403s。在该装置内发生的核反应方程是，已知在氘核聚变反应中氘核质量为m1，X粒子质量为m2，核的质量为m3。求：
（1）X是何种粒子；
（2）该核反应释放的核能。第5章第5.5节 裂变和聚变
题型1 重核的裂变及反应条件 题型2 核裂变的反应方程
题型3 重核裂变的应用（核电站与反应堆） 题型4 链式反应的条件与控制
题型5 轻核的聚变及反应条件 题型6 核聚变的反应方程
题型7 轻核聚变的应用
▉题型1 重核的裂变及反应条件
【知识点的认识】
1.定义：重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。
2.条件：
①重元素：只有一些质量非常大的原子核（如铀、钚等）才能发生核裂变。
②中子轰击：这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和巨大的能量。
③链式反应：如果铀﹣235核裂变产生的中子又去轰击其余的铀﹣235，将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。
这种链式裂变反应能够维持下去的条件是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变，这种状态称为“临界状态“。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
1．典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出x个中子：，铀235质量为m1，中子质量为m2，钡144质量为m3，氪89的质量为m4．下列说法正确的是（ ）
A．该核反应类型属于人工转变
B．该反应放出能量
C．x的值是3
D．该核反应比聚变反应对环境的污染较少
【答案】C
【解答】解：A、该核反应是核裂变，可以自发进行，不是人工控制的，故A错误；
B、C、核反应方程中
根据质量数守恒，有：
235+1＝144+89+x
解得：x＝3
根据爱因斯坦质能方程，该反应放出能量为：
ΔE＝Δm c2＝（m1+m2﹣m3﹣m4﹣3m2）c2
故B错误，C正确；
D、该核反应生成两种放射性元素，核污染较大，故D错误；
故选：C。
▉题型2 核裂变的反应方程
【知识点的认识】
重核在中子轰击下分裂成中等质量的原子核并释放出核能的反应叫作核裂变。反应的方程式例如：
Un→BaKr+3
或Un→XeSr+2n
或Pun→BaKr+3n
（多选）2．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象，说明原子核有复杂的内部结构。天然放射现象：有两种衰变（α、β），三种射线（α、β、γ），其中γ射线是衰变后新核处于激发态，向低能级跃迁时辐射出的。衰变快慢与原子所处的物理和化学状态无关。1896年，在贝克勒尔的建议下，玛丽﹣居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素——钋（Po）镭（Ra）。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，发现了质子，并预言原子核内还有另一种粒子——中子。下列关于原子物理知识说法正确的是（ ）
A．甲图为氢原子的能级结构图，当氢原子从基态跃迁到激发态时，不放出能量
B．乙图中重核裂变产生的中子能使核裂变反应连续的进行，称为链式反应，其中一种核裂变反应方程为
C．丙图为光电效应中光电子最大初动能与入射光频率的关系图线，不同频率的光照射同种金属发生光电效应时，图线的斜率一定相同
D．核反应方程中，X是中子
【答案】AC
【解答】解：A.甲图为氢原子的能级结构图，当氢原子从基态跃迁到激发态时，吸收能量，不会放出能量，故A正确；
B.铀核裂变的核反应方程式为→，故B错误；
C.根据爱因斯坦的光电效应方程 Ek＝hν﹣W0 可知，该图线的斜率表示普朗克常量h，不同频率的光照射同种金属发生光电效应时，图线的斜率相同，故C正确；
D.由质量数守恒和电荷数守恒可知，x的质量数为0，电荷数为﹣1，则x为电子，故D错误。
故选：AC。
▉题型3 重核裂变的应用（核电站与反应堆）
【知识点的认识】
1.原子弹：原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够放出大量核能，发生猛烈爆炸。
2.反应堆与核电站
①用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆．反应堆主要由核燃料棒、减速剂、控制棒、冷却系统和防护层等构成．
②通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数，以形成所谓的自持链反应（self﹣sustaining chain reaction）．
③核电站就是利用核反应堆来发电的。
3．关于下列四幅图的说法正确的是（ ）
A．图甲中，公路上对各类汽车都有限速，是因为汽车速度越大惯性越大
B．图乙中，频率越小的水波绕到挡板后面继续传播的现象越明显
C．图丙中A管内发生的是毛细现象，B管内发生的不是毛细现象
D．图丁是核反应堆示意图，其中石墨是慢化剂，其作用是减缓核反应速度
【答案】B
【解答】解：A．图甲中，公路上对各类汽车都有限速，但汽车的惯性只与汽车质量有关，故A错误；
B．图乙中，根据发生明显衍射现象的条件，又频率越小的水波波长越长，则越容易绕到挡板后面继续传播，故B正确；
C．图丙中AB管内发生的都是毛细现象，故C错误；
D．图丁是核反应堆示意图，其中石墨是慢化剂，其作用是使裂变产生的快中子减速从而维持核裂变的链式反应稳定进行，故D错误。
故选：B。
4．铀235是核电站的主要核燃料，核反应堆在工作时，铀235既发生裂变，也发生衰变。铀235裂变方程为：，衰变方程为：，则下列说法正确的是（ ）
A．X的质量数为146，Y的电荷数为90
B．的比结合能小于的比结合能
C．裂变过程温度升高，铀235的半衰期会变小
D．反应堆中镉棒（吸收中子）插入深一些将会加快核反应速度
【答案】B
【解答】解：A．根据核反应方程的质量数守恒可知，X的质量数为235+1﹣89﹣3×1＝144，根据核反应方程的电荷数守恒可知，Y的电荷数为92﹣2＝90，故A错误；
B．由于不稳定，其在裂变时需要释放核能，所以的比结合能必定小于的比结合能，故B正确；
C．裂变过程温度升高，但铀235的半衰期并不会随着温度的改变而发生改变，故铀235的半衰期保持不变，故C错误；
D．由于镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可以在反应堆中将镉棒插入深一些，让其多吸收一些中子，这样会使链式反应的速度慢一些，故可以减慢反应速度，故D错误。
故选：B。
▉题型4 链式反应的条件与控制
【知识点的认识】
1.链式反应的定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
2.链式反应的特点：利用一个中子轰击一个轴核，使轴核发生裂变，在反应中还放出2个中子，中子对未反应的轴核再进行轰击，从而使核反应出现连锁反应，使在短时间内出现积累效应．
3.链式反应的条件：能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量．
4.链式反应的控制：通过核反应堆进行控制。
核反应堆的工作原理为：
①热中子反应堆中铀棒是核反应的燃料。
②在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨，重水和普通水（也叫轻水）。
③为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫作控制棒。
④在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。
5．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（ ）
A．甲图为核反应堆示意图，将镉棒插入深一些，能使链式反应速度增大
B．乙图为卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，推断出原子核内部还有复杂的结构
C．丙图中人体体温越高，红外测温枪接受到最强辐射波长越短
D．丁图中工业上利用放射性同位素产生的α射线来对钢板的厚度进行自动控制
【答案】C
【解答】解：A.将镉棒插入深一些，吸收的中子数会增多，所以链式反应速度将会减小，故A错误；
B.卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，故B错误；
C.体温越高，测温枪接收到的最强辐射频率越高，波长越短，故C正确；
D.利用射线对材料厚度实现自动控制，要使用对该材料有穿透能力的射线，α射线不能穿透钢板，应利用γ射线对钢板的厚度进行自动控制，故D错误。
故选：C。
▉题型5 轻核的聚变及反应条件
【知识点的认识】
1.定义：两个轻核结合成质量较大的核、这样的核反应叫作核聚变。
2.条件：在超高温条件下才能发生，所以核聚变反应又叫热核反应。
3.太阳辐射的能量来自核聚变。
6．下列说法正确的是（ ）
A．甲图为光电效应实验，验电器和锌板带异种电荷
B．乙图为岩盐的分子结构，敲碎的岩盐总是呈立方形状，是因为容易在虚线处断开
C．丙图中，轻核能发生聚变的条件是克服库仑斥力，而不是克服核力
D．戳破丁图中棉线右侧的肥皂泡，棉线会受到垂直于肥皂泡平面且垂直于棉线的力使之向左弯曲
【答案】C
【解答】解：A、甲图为光电效应实验，锌板逸出电子，所以验电器和锌板带同种电荷，故A错误；
B、敲碎的岩盐总是呈立方形状。由于同种电荷相斥，异种电荷相吸，根据力的矢量合成，是因为容易沿边长分开，而不是在虚线处断开，故B错误；
C、要使轻核发生聚变，原子核必须克服巨大的库仑斥力，使原子核间距达到10﹣15m以内，从而使核力起作用，发生聚变，故C正确；
D、戳破丁图中棉线右侧的肥皂泡，棉线会受到液体表面张力的作用，平行于肥皂泡平面且垂直于棉线，使之向左弯曲，故D错误。
故选：C。
7．氘核可通过一系列聚变反应释放能量，总的反应效果可用表示，式中x、y的值分别为（ ）
A．x＝1，y＝2 B．x＝1，y＝3 C．x＝2，y＝2 D．x＝3，y＝1
【答案】C
【解答】解：根据电荷数守恒和质量数守恒可知
6×2＝2×4+x+y
6＝2×2+y
解得
y＝2
x＝2
故C正确，ABD错误。
故选：C。
▉题型6 核聚变的反应方程
【知识点的认识】
1.核聚变的定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应．
2.核聚变反应方程举例：：HH→Hen+17.6MeV。
8．太阳的能量主要通过质子﹣质子链反应（简称PP链）产生，太阳产生的能量约99%来自该链反应。该链反应中的一个核反应方程为，已知的比结合能为E1，的比结合能为E2，下列说法正确的是（ ）
A．X是质子
B．反应物的总结合能大于生成物的总结合能
C．的比结合能大于的比结合能
D．该核反应释放的核能为2E1﹣E2
【答案】C
【解答】解：A、根据质量数和电荷数守恒，X的电荷数为2×1﹣2＝0，质量数为2×2﹣3＝1，应为中子而非质子，故A错误；
B、根据题意分析可知，反应物的总结合能为4E1，生成物的总结合能为3E2。因聚变释放能量，生成物总结合能更大，3E2＞4E1，反应物总结合能小于生成物，故B错误；
C、根据题意分析可知，聚变反应中生成物比反应物更稳定，比结合能更高，故E2＞E1，故C正确；
D、根据题意分析可知，释放的核能为生成物总结合能与反应物总结合能之差，即3E2﹣4E1，故D错误。
故选：C。
9．太阳内部的核反应主要是氢元素转变为氦元素的核反应，其中一种核反应方程是H→Xe，则下列说法正确的是（ ）
A．X是 B．此核反应是α衰变
C．此核反应是β衰变 D．来自原子核
【答案】D
【解答】解：A、根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，X是，故A错误；
BC、此核反应是3个H聚合成一个氦，此反应是轻核聚变，故BC错误；
D、是由原子核中的质子变成中子释放的，来自原子核，故D正确。
故选：D。
10．2023年4月13日，中国人造太阳”反应堆中科院环流器装置（EAST）创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步。下列关于核反应的说法正确的是（ ）
A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B．核聚变的核反应方程为
C．核聚变的核反应燃料主要是铀235
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
【答案】A
【解答】解：A.相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，故A正确；
B.根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为
故B错误；
C.核聚变的核反应燃料主要是氘核和氚核，故C错误；
D.核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，故D错误。
故选：A。
11．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）
（1）写出氘和氚核聚变的核反应方程式；
（2）只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小；
（3）如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为v0的粒子。
①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ＝37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L；
②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。
【答案】（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为HH→Hen；
（2）极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小为；
（3）①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ＝37°，该粒子做螺旋线运动的螺距L为πR；
②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值为53°。
【解答】解：（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为
HH→Hen
（2）设极向场线圈产生的磁场大小为B，由洛伦兹力提供向心力
解得
（3）带电粒子与x轴成θ角射入环向磁场，粒子沿螺旋线运动。
①设粒子垂直轴向做圆周运动的周期为T，则
则螺距为
L＝（v0cos37°）T
解得
L＝πR
②粒子垂直轴向做匀速圆周运动，当粒子刚好碰到室壁时v0与x轴夹角最大为θm，由牛顿第二定律
又半径为
解得
即
θm＝53°
答：（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为HH→Hen；
（2）极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小为；
（3）①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ＝37°，该粒子做螺旋线运动的螺距L为πR；
②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值为53°。
▉题型7 轻核聚变的应用
【知识点的认识】
1.目前轻核的聚变主要应用在核武器上，氢弹的原理图如下，首先由化学炸药引爆原子弹，再由晕啊子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
2.核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
①磁约束 带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。环流器（即tokamak，音译为托卡马克）是目前性能最好的一种磁约束装置。“人造太阳”即是以此为基础进行开发设计的。
②惯性约束 利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在我国，中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。
总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走。
12．2023年4月12日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置创造了新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403s。在该装置内发生的核反应方程是，已知在氘核聚变反应中氘核质量为m1，X粒子质量为m2，核的质量为m3。求：
（1）X是何种粒子；
（2）该核反应释放的核能。
【答案】（1）X是；
（2）该核反应释放的核能为。
【解答】解：（1）设X的质量数为A，电荷数为Z，根据核反应过程满足质量数和电荷数守恒可知：
2+2＝3+A
1+1＝2+Z，
解得X的质量数为1，电荷数为0，即得出X是中子；
（2）该核反应的质量亏损为
Δm＝2m1﹣m2﹣m3
该核反应释放的核能为
ΔE＝Δmc2
即
答：（1）X是；
（2）该核反应释放的核能为。
