5.3 聚变与受控热核反应
学习目标
重点难点
1．知道核聚变的特点及条件。
2．知道可控热核反应及其研究和发展。
3．会计算轻核聚变释放的核能。
重点：计算轻核聚变释放的核能。
难点：可控热核反应的基本原理。
一、更大的能源宝库
1．平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时会释放核能。这种释放核能的反应叫核聚变。
2．核反应应用举例：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．在消耗核燃料的量相同的情况下，聚变比裂变释放的核能多。
4．聚变的条件：由于这种核反应需要在几千万开以上的高温下进行，所以聚变又叫热核反应。
预习交流1
50多亿年来，太阳每秒辐射出的能量约为3.8×1026 J，相当于一千亿吨煤燃烧所放出的能量。太阳这么大的能量是怎么来的？
答案：在太阳内部，不断地进行着轻核聚变反应，它的能量就是核聚变产生的。核聚变反应在宇宙中很普遍。
二、受控热核反应
1．托卡马克结构：利用强磁场约束等离子体的环流器。
2．“激光聚变”的构想：1964年我国科学家王淦昌与前苏联科学家各自独立地提出了激光聚变的构想，即用高功率的激光打在氘、氚组成的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚变。
预习交流2
有人说，随着科技的发展，在不久的将来，汽车不再烧油，而是该烧“海水”。你相信这能实现吗？
答案：可以实现。热核聚变的燃料之一，氘的含量丰富，每升海水中就含有0.03 g氘核，这些氘核完全聚变释放的能量约和燃烧300升汽油相当。只要热核反应实现可控，就可利用热核聚变获得能源。
一、核聚变产生的条件
热核反应为什么需要几千万度的高温？
答案：只有几千万度的高温，才能使原子完全电离形成等离子体状态，原子核也才有足够大的动能，克服库仑力接近到核力起作用的10－15 m内，发生核聚变。
关于聚变，以下说法正确的是（ ）。
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时释放出能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大好多倍
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
答案：BD
解析：两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量，但不一定是中等质量的核，故A错误。聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时放出的能量大得多，这点我们由聚变反应的特点就可以知道，故B正确。裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15 m，故要求有足够大的动能才能克服电荷间强大的斥力做功，故C错，D正确。
1．热核反应的两种方式
爆炸式热核反应、受控热核反应（目前正处于探索、实验阶段）
2．实现人工核聚变的方式
发生热核反应需要很高的温度，地球上没有任何容器能够经受如此的高温，为解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
3．“中国环流器一号”和“中国环流器新一号”是我国研究可控热核反应的实验装置。
二、核聚变释放核能的计算
常见的核聚变有几种类型？能写出它们的核反应方程吗？
答案：常见的核聚变有两种：（1）H＋H→H＋H＋4 MeV
（2）H＋H→He＋n＋17.6 MeV
一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量为mH＝1.007 3 u，中子质量为mn＝1.008 7 u，氚核质量为m＝3.018 0 u。
（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：（1）H＋2n→H （2）6.24 MeV （3）2.08 MeV
解析：（1）聚变方程为：H＋2n→H。
（2）质量亏损为：Δm＝mH＋2mn－m＝（1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0） u＝0.006 7 u，释放出的核能：ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV。
（3）平均每个核子放出的能量
MeV＝2.08 MeV。
计算核能的方法：
1．根据质量亏损计算核能。算出质量亏损后根据质能方程求，即ΔE＝Δmc2，此时公式中的单位分别是J、kg、m/s。
2．利用1 u相当于931.5 MeV求。质量亏损Δm用u为单位，根据ΔE＝Δm×931.5 MeV求，此时核能的单位是MeV。
1．（2011·大同高二检测）核反应方程H＋H→He＋n，在该核反应中将（ ）。
A．吸收能量，质量增加 B．吸收能量，质量亏损
C．放出能量，质量亏损 D．放出能量，质量增加
答案：C
2．下列关于聚变的说法中，正确的是（ ）。
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万度的高温，因此轻核聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应
答案：ABCD
3．有关核聚变的发生，下列说法正确的是（ ）。
A．可以采用中子轰击方法使轻核聚变
B．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
C．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状真空室内
D．目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电
答案：CD
解析：太阳的内部引力与热核反应的斥力达到平衡时，维持了内部热核反应，B错。由前面知识容易分析，A错，C、D正确。
4．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．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大
答案：B
5．关于质能方程，下列说法正确的是（ ）。
A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量
B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值
C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系
D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
答案：BD
解析：质能方程E＝mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据ΔE＝Δmc2进行计算，所以B、D正确。
自我小测
1下列核反应中属于核聚变的是( )
A.H＋H→He＋n
B.Th→Pa＋e
C.U＋n→Xe＋Sr＋2n
D.Be＋He→O＋n
2有下列核反应：
①He＋Al→P＋n
②H＋H→He＋γ
③F＋H→O＋He
④U＋n→Sr＋Xe＋10n＋γ
下列说法正确的是( )
A．①是原子核的人工转变的反应方程式
B．②是聚变的核反应方程式
C．③是α衰变的反应方程式
D．④是裂变的核反应方程式
3关于聚变，以下说法正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时释放出能量
B．同样质量的物体发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大好多倍
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
4关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法正确的是( )
A．它们都是利用核聚变释放原子能的
B．它们都是利用核裂变释放原子能的
C．裂变和聚变的核燃料都可以是纯铀235
D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能
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
62006年3月23日央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功；这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续的输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是( )
A.N＋He→O＋H
B.H＋H→He＋n
C.U→Th＋He
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
7原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为
6 H―→k He＋d H＋2 n＋43.15 MeV
由平衡条件可知( )
A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2
C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3
8一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 8 u，中子质量为mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u。
(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？
参考答案
1解析：B项是衰变，C项是裂变；D项是人工转变；A项是轻核聚变。
答案：A
2解析：我们要对人工转变、聚变、裂变、衰变的定义作深入认识，根据各种定义可知：①是人工转变的反应方程式；②是聚变的核反应方程式；③并不是α衰变，而是人工转变，衰变是自发进行的，不需要外界因素的影响；④是裂变的核反应方程式。故答案为A、B、D。
答案：ABD
3解析：两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量但不一定是中等质量的核，故A错误；聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时放出的能量大的多，这点我们由聚变反应的特点就可以知道，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15 m，故要求有足够大的动能才能克服原子间的斥力做功，故C错，D正确。
答案：BD
4解析：现在我国的核电站是利用核裂变，可控热核反应还在实验阶段，故答案为B。
答案：B
5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。
答案：B
6答案：B
7解析：由质量数守恒和电荷数守恒，分别有4k＋d＝10,2k＋d＝6，解得k＝2，d＝2.正确选项为B。
答案：B
8解析：(1)聚变方程为：H＋2n―→H。
(2)质量亏损为：Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 8＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.007 2 u
释放的核能：
ΔE＝Δmc2＝0.007 2×931.5MeV＝6.71 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV＝2.24 MeV。
答案：(1)H＋2H→H
(2)6.71 MeV
(3)2.24 MeV
