第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护教师用书

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第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护教师用书

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第3节 核聚变
第4节 核能的利用与环境保护
学 习 目 标 知 识 脉 络
1.知道聚变反应的特点及其条件,并能计算核聚变释放的能量.(重点)
2.了解可控热核反应及其研究和发展前景.(难点)
3.了解核电站的构造和基本原理,了解核武器的种类.(重点)
4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施. 
 
轻核聚变与可控热核聚变反应
 
[先填空]
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
21H+31H→42He+10n.
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.
[再判断]
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.(√)
[后思考]
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.
 
[核心点击]
1.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温.
2.轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应.
3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量.
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去.
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆.
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置.它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸.
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段.
5.重核裂变与轻核聚变的区别
 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235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,放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
 
1.(多选)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,所以聚变反应又叫热核反应
D.裂变反应速度可以实现人工控制,但却不容易控制轻核聚变反应速度
【解析】 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正确,现在已经能实现裂变反应速度的人工控制,但除氢弹外,还不能实现轻核聚变的人工控制,D正确.
【答案】 CD
2.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的是(  ) 【导学号:64772054】
A.31H+21H―→42He+10n是核聚变反应
B.31H+21H―→42He+10n是β衰变
C.235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n是核裂变反应
D.235 92U+10n―→140 54Xe+9438Sr+210n是α衰变
【解析】 31H+21H―→42He+10n是轻核聚变反应,A正确,B错误;235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n和235 92U+10n―→140 54Xe+9438Sr+210n均为重核裂变反应,C正确,D错误.
【答案】 AC
3.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:21H+31H―→42He+x,式中x是某种粒子.已知:21H、31H、42He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=931.5 MeVc2,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10n(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】 10n(或中子) 17.6
 
对轻核聚变理解的两个误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应.产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透,裂变时重核分裂成中等核,而聚变是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应.
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程.这是由对以上四种核反应方程的理解不深刻造成的.这四种方程在形式上很相近,因此判断时容易混淆出错,要想正确判断必须抓住它们的实质:核聚变是轻核结合成质量较大的核,也会放出中子;重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核,并放出几个中子;人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核,产生新原子核并放出一个或几个粒子;衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α粒子或β粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种.
 
 
核能的利用及环境保护
 
[先填空]
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235 92U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.
[再判断]
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的进行.(√)
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.(×)
[后思考]
原子弹和氢弹的装置有何不同?
【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.
 
[核心点击]
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.
 
4.(多选)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.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C.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
D.如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理更简单,对环境污染更小
【解析】 目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核能是比较清洁的能源,故A、B正确,C错,如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易,对环境污染也更小,D正确.
【答案】 ABD
5.(多选)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.核燃料的危害主要是其具有放射性
D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能
【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.放射性对人体和环境都有危害,C正确,太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量,D错误.
【答案】 ABC
学业分层测评(十三)
(建议用时:45分钟)
学业达标]
1.太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026 J,这些能量是(  )
【导学号:64772109】
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
2.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快慢,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
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(21H)的质量为m1,氚核(31H)的质量为m2,反应后氦核(42He)的质量为m3,中子(10n)的质量为m4,光速为c,正确说法正确的是(  )
【导学号:64772055】
A.这种装置中发生的核反应方程式是21H+31H―→42He+10n
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21H+31H―→42He+10n,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.(多选)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 (  )
【导学号:64772110】
A.14 7N+42He―→17 8O+11H
B.235 92U+10n―→9038Sr+136 54Xe+1010n
C.238 92U―→234 90Th+42He
D.21H+31H―→42He+10n
【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
5.(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m2,32He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32He所产生的另一个粒子是质子
B.两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子
C.两个氘核聚变成一个32He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
【解析】 由核反应方程221H→32He+10X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
6.(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有:(1)235 92U+10n→9038Sr+136 54Xe+k10n;(2)21H+31H→42He+d10n;关于这两个方程,下列说法正确的是(  )
A.方程(1)属于α衰变
B.方程(1)属于重核裂变
C.方程(2)属于轻核聚变
D.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
【解析】 方程(1)属于重核裂变,方程(2)属于轻核聚变,故A错,B、C对.据核反应中的质量数守恒和电荷数守恒,可求出k=10,d=1,故D对.
【答案】 BCD
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
11H+12 6C―→13 7N+Q1 ①,
11H+15 7N―→12 6C+X+Q2 ②,
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 11H
31H
42He
12 6C
13 7N
15 7N

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42He,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】 42He <
8.物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应.根据这一理论,在太阳内部4个氢核(11H)转化成一个氦核(42He)和两个正电子(01e)并放出能量.已知质子质量mp=1.007 3 u,α粒子的质量mα=4.0026 u,电子的质量me=0.000 5 u.1 u的质量对应931.5 MeV的能量.
(1)写出该热核反应方程;
(2)一次这样的热核反应释放出多少兆电子伏的能量?(结果保留四位有效数字)
【解析】 (1)热核反应方程为411H→42He+201e.
(2)质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.002 6-2×0.000 5) u=0.025 6 u
ΔE=0.025 6×931.5 MeV=23.85 MeV.
【答案】 (1)411H→42He+201e (2)23.85 MeV
能力提升]
9.(多选)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(  )
【导学号:64772056】
A.“人造太阳”的核反应方程是21H+31H→42He+10n
B.“人造太阳”的核反应方程是235 92U+10n→141 56Ba+9236Kr+310n
C.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D.核燃烧的质量相同时,聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
【解析】 21H+31H→42He+10n是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多,D正确.
【答案】 AD
10.(多选)如图4­3­1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4­3­1
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.这种装置是科学家设想的其中一种方案
【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,故D对.
【答案】 ABD
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21H+31H―→42He+10n,反应原料氘(21H)富存于海水中,而氚(31H)是放射性元素,自然界中不存在,但可以通过中子轰击锂核(63Li)的人工核转变得到.
(1)请把下列用中子轰击锂核(63Li)产生一个氚核(31H)和一个新核的人工核转变方程填写完整:________+10n―→________+31H.
(2)在(1)中,每产生1 g氚的同时有多少个63Li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:63Li+10n―→42He+31H.
(2)因为1 g氚为13 mol,根据核反应方程,实现核转变的63Li也为13mol,所以有2.0×1023个63Li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=ΔEc2=2.8×10-123×1082 kg=3.1×10-29 kg.
【答案】 (1)63Li 42He
(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21H+31H→42He+10n.
(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:MMD•ΔE•η=Pt
可得:M=ptMDΔE•η=
3.0×105×103×3.2×107×2.0141×1.66×10-272.8×10-12×0.5 kg=23 kg.
【答案】 (1)21H+31H→42He+10n (2)2.8×10-12 J (3)23 kg
 


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