2020学年鲁科版物理选修3-5 第4章 第3节　核聚变 第4节　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
　1.了解聚变反应的特点及其条件．(重点)　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．
[学生用书P59]
一、轻核聚变
轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能．
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．
(1)太阳和其他恒星能够发光并辐射出巨大的能量，是它们内部核聚变的结果．
(2)氢核聚变的核反应方程为H＋H→He＋n．同时释放17.51 MeV的能量，平均每个核子释放3.5 MeV的能量，比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．
聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得．氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应n＋Li→He＋H得到．

(1)核聚变时吸收能量．(　　)
(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．(　　)
提示：(1)×　(2)√
二、可控热核聚变反应
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．两个氘核发生聚变，它们的距离必须接近10－15米以内，核力才能起作用．
轻核聚变温度到达108K，在这样的高温下，原子完全电离形成等离子态，才能实现聚变．
为了实现核聚变，目前靠3种方法对等离子体进行约束，一是靠引力，二是用磁场，三是靠惯性．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．

1．为什么温度达到几百万摄氏度核聚变才能发生？
提示：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10－15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温．
三、核能的利用与环境保护
核电站
(1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．
(2)目前核电站的反应堆以U为燃料，发电成本低于煤电．
(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用．
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．
核能的优势与危害
(1)核能作为一种新能源，有很多优势．
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．
(2)核能的利用也存在一些危害．
核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料．

2．为什么只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹？
提示：氢弹是热核反应，需达到几百万摄氏度以上高温才能进行核反应，只有用原子弹爆炸的高温高压，才可以使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．

　对轻核聚变的理解[学生用书P60]
聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使参与反应的原子核接近到原子核大小的尺寸范围，这就要求它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，必须把它们加热到几百万摄氏度的高温．在高温下原子处于电离态，要让聚变持续发生，首先应对等离子体进行约束．目前，可控的热核聚变反应还处于探索阶段，实验室内通过磁约束实现了对等离子体的约束．
聚变比裂变反应放出更多能量的原因
(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的2～3倍．例如，一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量约3.5 MeV；而U裂变时，平均每个核子放出能量为1 MeV.
(2)同样质量的情况下，聚变比裂变反应放出更多的能量，如氘和氚聚变为1 kg氦时放出的能量为ΔE1，则
ΔE1＝×6.02×1023×17.6 MeV
≈2.65×1033eV
假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV，则1 kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2，即
ΔE2＝×6.02×1023×200 MeV≈5×1032eV
＝5.3.
　轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚变反应放出更大的能量．由于发生聚变的温度极高，聚变又叫热核反应．
　(多选)下列说法正确的是(　　)
A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量
B．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功
D．热核反应只有在人工控制下才能发生
[解析]　由质能方程可知，选项A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，选项D错误．
[答案]　AB
　核能的利用与环境保护[学生用书P61]
核原料提供的能量巨大，1 kg铀全部释放的能量大约相当于2 700 t标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．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．
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．
对核废料进行回收利用，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．
　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
[思路点拨] 根据核电站的原理解答．
[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
　有关核聚变能量的计算[学生用书P61]
　太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源．
(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＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u)
[思路点拨] 核反应中由于质量数、电荷数保持守恒，由此可写出核反应方程；根据爱因斯坦的质能关系方程，由质量亏损(或能量)可计算释放的能量(或质量亏损)．
[解析]　(1)核反应方程是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m2＝mHe＋2me＝4.002 6 u＋2×0.000 55 u＝4.003 7 u
Δm＝m1－m2＝0.025 5 u，
由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.025 5×931.5MeV≈23.75 MeV.
(3)由质能方程，ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量
Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg.
[答案]　(1)4H―→He＋2e　(2)23.75 MeV
(3)4.2×109 kg
eq avs4al()
对于轻核聚变时核能的计算与前面重核裂变时核能的计算方法完全一样，利用爱因斯坦质能方程进行计算即可．　
　大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.已知 H的质量为2.013 6 u, He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A．3.7 MeV　　　　　　　　 B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
解析：选B.氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确．

[随堂检测] [学生用书P62]
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：选B.该聚变反应释放了能量，是因为发生了质量亏损，A、C错；该聚变反应产生了新原子核H，B对；目前核电站都是用重核裂变发电的而不是用轻核聚变，D错．故正确答案为B.
下列说法中正确的是(　　)
A．重核裂变时放出能量，轻核聚变时吸收能量
B．聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量多
C．裂变时产生放射性物质处理起来比热核反应时产生放射性物质简单得多
D．太阳辐射出的能量是由太阳内部的裂变反应产生的
解析：选B.重核裂变和轻核聚变均有质量亏损，均释放出核能，A错；聚变时每个核子平均释放出的核能是裂变时平均每个核子释放出的核能的3～4倍，B对；裂变反应时产生的放射性物质对生物及环境有污染，需慎重处理；热核反应时产生的核废料污染小，处理简单，C错；太阳辐射出的能量是由太阳内部的核聚变反应释放的，D错．
(多选)关于热核反应下列说法正确的是(　　)
A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
解析：选ABC.聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻．但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能．故正确选项为A、B、C，错误选项为D.
4．(多选)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摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
解析：选ABC.轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．
5．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：H＋H→He＋X，式中X是某种粒子．已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝ MeV，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子X是______，该反应释放出的能量为________ MeV(结果保留3位有效数字)．
解析：根据质量数和电荷数守恒可得X是n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为
ΔE＝Δm·c2≈17.6 MeV.
答案：n(或中子)　17.6
[课时作业] [学生用书P103(独立成册)]
一、单项选择题
原子弹和氢弹的制造原理分别是(　　)
A．都是根据重核的裂变
B．都是根据轻核的聚变
C．原子弹是根据轻核聚变，氢弹是根据重核裂变
D．原子弹是根据重核裂变，氢弹是根据轻核聚变
解析：选D.原子弹是根据重核裂变原理制造的，氢弹是根据轻核聚变原理制造的．
我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)

A.H＋H→He＋n
B.7N＋He→8O＋H
C.He＋Al→P＋n
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
解析：选A.A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．
3．一个氘核(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：选B.聚变出现质量亏损，一定放出能量，由质量数守恒和电荷数守恒可知，生成的新核是He，选项B正确．
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，放出热量．这几种反应的总效果可以表示为6H―→kHe＋dH＋2n＋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
解析：选B.根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得6×2＝4k＋d＋2，6×1＝2k＋d，解得k＝2，d＝2.故正确答案为B.
已知一个氢原子的质量为1.673 6×10－27 kg，一个锂原子的质量为11.650 5×10－27 kg，一个氦原子的质量为6.646 7×10－27 kg.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应方程为H＋Li→2He.根据以上信息，以下判断正确的是(　　)
A．题中所给的核反应属于α衰变
B．题中所给的核反应属于轻核聚变
C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能
D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能
解析：选C.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应类型是人工核转变，A、B两项均错误；反应前一个氢原子和一个锂原子共有4个核外电子，反应后两个氦原子也是共有4个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉．由质能方程ΔE＝Δmc2可以计算释放的核能，选项C正确、D错误．
月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(He)”与氘核聚变，下列说法中正确的是(　　)
A．核反应方程为He＋H→He＋H
B．核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量
C．氦3(He)一个核子的结合能大于氦4(He)一个核子的结合能
D．氦3(He)的原子核与一个氘核发生聚变将吸收能量
解析：选A.“氦3(He)”与氘核聚变的核反应符合质量数与电荷数守恒，且聚变是放能反应．质量亏损，新核的结合能大．故选A.
太阳内部持续不断地发生着热核反应，质量减少．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：选D.由质量数守恒及核电荷数守恒知，X为正电子，A、B错；质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C错，D对．
8．关于聚变，以下说法中正确的是(　　)
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量
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小
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
解析：选D.两个轻核聚变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项错误．聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B项错误．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核间的斥力做功，故C错，D正确．
二、多项选择题
9．下列核反应方程中属研究两弹的基本的核反应方程式的是(　　)
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
解析：选BD.原子弹爆炸是靠重核裂变放出能量，B式是其反应方程式．氢弹爆炸是靠轻核聚变放出能量，D式是其反应方程式．A式是人工转变方程，C式是铀核的α衰变方程．故B、D正确．
在某些恒星内，3个α粒子结合成1个C核，C原子的质量是12.000 0 u，He原子的质量是4.002 6 u．已知1u＝1.66×10－27 kg，则下列各选项正确的是(　　)
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：选ABC.由题目可得此核反应的方程为3He―→6C＋ΔE，则反应后的质量亏损为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 MeV.故A、B、C项正确，D错误．
三、非选择题
试求在氢弹中合成1 kg的氦时所释放出的能量．(氘核H的质量为2.014 1 u，氚核H的质量为3.016 0 u，氦核He的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u)
解析：设氢弹壳内装的是氘核和氚核，它们在高温下聚变生成氦核，核聚变方程为H＋H―→He＋n.
一个氘核H与一个氚核H发生反应放出的能量：
ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 0－4.002 6－1.008 7)×931.56 MeV≈17.51 MeV，1 kg氦中所含的原子数目
N＝nNA＝×6.02×1023个＝1.505×1026个
这样合成1 kg氦时所放出的总能量
E＝NΔE＝1.505×1026×17.51 MeV
≈2.64×1027 MeV.
答案：2.64×1027 MeV
12．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能也全部转化为机械能．(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV.除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)
(1)写出该核反应的反应方程式；
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?
解析：(1)核反应方程为2H→He＋n.
(2)质量亏损为Δm＝2.013 6 u×2－3.015 0 u－1.008 7 u＝0.003 5 u．则释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.
(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，反应前每个氘核的动能为E0，反应后中子和He核的动能分别为E1、E2.根据动量守恒得：m1v1－m2v2＝0所以＝＝
根据E＝mv2得＝eq f(f(1,2)m2v,f(1,2)m1v)＝×＝
即E2＝＝×3.12 MeV＝1.04 MeV
由能量转化和守恒定律得E1＋E2＝2E0＋ΔE
代入数据得E0＝0.45 MeV.
答案：(1)见解析　(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV