学业分层测评(十八)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
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．(多选)关于核聚变，以下说法正确的是( )
A．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
B．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
C．地球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
D．核聚变比核裂变更易控制
【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．但核聚变不易控制其发电还没有投入实际运行，所以B、C正确．
【答案】BC
3．(多选)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，正确说法正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是H＋H―→He＋n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
【解析】核反应方程为H＋H―→He＋n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B错误，C正确；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电，故D错误．
【答案】AC
4．太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应．核反应方程是4H―→He＋2X，这个核反应释放出大量核能．已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是( )
A．方程中的X表示中子(n)
B．方程中的X表示电子(e)
C．这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2
D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2
【解析】由质量数守恒和核电荷数守恒可知，方程中的X表示电子e，A、B错误；该反应中质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C错误，D正确．
【答案】D
5．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是H＋n―→H＋γ，以下说法中正确的是( )
A．反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B．反应前后的质量数不变，因而质量不变
C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度
D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确
【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C.
【答案】AC
6．一个氘核(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】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．
【答案】B
7．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＋Q1①，
H＋N―→C＋X＋Q2②，
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：
原子核
H
H
He
C
N
N
质量/u
1.007 8
3.016 6
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.
【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1.
【答案】He<
8．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＝3×108 m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．
【解析】为求出系列反应完成后释放的能量，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Q＝(4mp－mα－2me)c2
代入数据可得Q≈3.95×10－12 J.
【答案】3.95×10－12 J
[能力提升]
9．(多选)如图5-3-1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，下列判断中可能正确的是( )
图5-3-1
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．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D．该装置是利用聚变物质的惯性进行约束
【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；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溢出，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置是科学家设想的其中一种方案，另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束，故D错．
【答案】AB
10．(多选)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，这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．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2
【解析】由核反应方程2H→He＋X知，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．
【答案】BD
11．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列．该反应所进行的聚变过程是H＋H―→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(Li)的人工核转变得到．
(1)请把下列用中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋n―→________＋H.
(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol－1)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13 J，求该核聚变过程中的质量亏损．
【解析】(1)核反应方程为：Li＋n―→He＋H.
(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的Li也为mol，所以有2.0×1023个Li实现了核转变．
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量ΔE＝5×5.6×10－13J＝2.8×10－12 J，所以质量亏损为Δm＝＝ kg＝3.1×10－29 kg.
【答案】(1)LiHe
(2)2.0×1023个
(3)3.1×10－29 kg
12．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)
【解析】(1)氘和氚聚变的反应方程为H＋H→He＋n.
(2)该反应过程的质量亏损Δm＝2.0141 u＋3.0160 u－4.0026 u－1.0087 u＝0.0188 u＝3.1208×10－29 kg
释放的核能ΔE＝Δmc2＝3.1208×10－29×(3×108)2 J＝2.8×10－12 J.
(3)设每年要消耗的氘的质量为M，氘原子的质量为MD
由能量守恒可得：·ΔE·η＝Pt
可得：M＝＝
kg＝23 kg.
【答案】(1)H＋H→He＋n(2)2.8×10－12 J(3)23 kg
5.4 核能利用与社会发展
学习目标
重点难点
1．知道核能的优越性。
2．知道核安全的防护措施与核废料的处理方法。
3．通过核能利用，思考科学技术与社会的关系。
重点：核安全的防护措施。
难点：科学技术的双面效应。
一、核能的优越性
1．核燃料提供的能量巨大；2．核燃料储量丰富；3．核燃料的运输、储存方便；4．使用核燃料清洁、卫生，对环境污染小。
预习交流1
为什么说核燃料提供的能量巨大？
答案：计算表明，1 kg铀全部裂变释放的能量相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量，地球上所有的常规能源都无法跟核能相比。
二、核安全与核废料的处理
1．核电站为了确保安全，防止放射性物质的泄露，设置了4道安全屏障：
（1）二氧化铀陶瓷体燃料芯块，可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内，不向外释放。
（2）性能良好的锆合金包壳把燃料芯块密封在其中，能够经受各种工作情况的考验，保证密封良好。
（3）反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界保证结构的完整性。
（4）由钢筋水泥构成的安全壳，能承受事故发生的压力并保证密封良好，防止放射性物质外泄。
2．废料处理方法
（1）后处理技术：从用过的核燃料中回收铀、钚等，这样可以收回97%的核燃料，只需处理其他3%的放射性废料。
（2）固化处理：低、中放射性废料用沥青固化或水泥固化后，储藏于地下浅层废料库；高放射性废料用玻璃固化后，储藏于地下深层废料库。
预习交流2
核物理学家卢瑟福在1915年说：“我希望人们在学会和平相处之前，不要释放镭的内部力量。”你是怎样理解卢瑟福的这句话的含义的？
答案：核能力量巨大，若用于建设、改善人类生活，是很好的；但若是利用核能制作武器，也是杀伤力最大的。这句话充分彰显了卢瑟福作为一个科学家对人类负责的伟大情怀。
一、核能的优越性
为什么说核能的使用比常规化能源清洁卫生？
答案：常规化能源燃烧时要排放大量二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、煤渣及烟灰等，它们都是造成温室效应和酸雨的罪魁祸首，煤中还含有少量的放射性物质，如铀、钍、镭等。核电站不排放二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等造成温室效应和酸雨的气体及烟尘。只要设计良好、管理完善，就不会发生核泄漏。
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
答案：C
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的能量，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。
核能比常规能源有4大明显优势，所以世界各国大力发展核能，目前世界各国已建成400多座核电站，发电量占世界总发电量的17%以上。
二、核安全问题
2011年3月11日，日本因地震及海啸导致了福岛核电站1号反应堆发生了核泄漏，对电站附近居民和海洋产生了一定程度的核辐射污染。核电站的安全性问题的严峻性再次刺激着人类的神经。那么，核电站的核反应堆有几道安全屏障？
答案：核反应堆为确保安全设置了4道安全屏障：陶瓷燃料芯块、锆合金包壳、压力边界、水泥钢筋构成的安全壳。
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，但燃料利用率高
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
答案：ABD
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，但燃料利用率高，B正确。核电站不排放二氧化碳、氮氧化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。
核能的实际应用有两个方面：
1．少数国家拥有的核武器，核武器是很有毁灭性的武器，联合国通过一系列条约和协定，限制各国制造和使用核武器，甚至要求全面销毁核武器。
2．多数国家建设的核电站。和平利用核能，是人类为摆脱日益紧张的能源危机而寻找到的一条有效途径，虽然在和平利用核能的过程，有过意外的核泄漏，如前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故和最近的日本福岛核泄漏事故，但这不会影响和平利用核能的努力，只是提醒了人们在和平利用核能时更加注重安全性。
1．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电能
答案：C
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。
2．2006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物具有放射性
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。
3．氘发生热核反应有如下四种情况，而且每种情况几率相同（大量粒子的统计规律）。
H＋H→H＋H＋4 MeV
H＋H→He＋n＋17.6 MeV
H＋H→He＋n＋3.3 MeV
He＋H→He＋H＋18.3 MeV
1 L海水中大约有0.03 g氘，如果这些氘核完全聚变，释放的能量是多少？
答案：1.04×1010 J
解析：由题给条件知，4种情况中共有6个氘核参与反应，平均每个氘核放出的能量是7.2 MeV。1 L海水中的氘核数为×6.02×1023个＝9.03×1021个，每升海水可放能E＝1.04×1010 J。
