第四章第四章 核能核能 第第3节 核聚变节 核聚变第第4节 核能的利用与环境保护节 核能的利用与环境保护 1．知道聚变和聚变反应的特点．．知道聚变和聚变反应的特点．2．能写出聚变方程并计算聚变释放的能量．．能写出聚变方程并计算聚变释放的能量．3．了解受控热核反应．．了解受控热核反应．4．了解核能的利用．了解核能的利用 一、轻核聚变一、轻核聚变定义：采用轻核聚合成定义：采用轻核聚合成_______引起结合能变化的核反引起结合能变化的核反 应，称为轻核聚变．应，称为轻核聚变．核反应举例核反应举例 __________________．．能量变化：轻核聚变后，平均结合能能量变化：轻核聚变后，平均结合能_____，反应中会，反应中会 _____能量．能量．二、可控热核聚变反应二、可控热核聚变反应热核聚变反应的条件：必须使它们的距离达到热核聚变反应的条件：必须使它们的距离达到_____ m 以下，使核具有足够的以下，使核具有足够的_____，轻核才能够发生聚变．，轻核才能够发生聚变．较重核较重核增加增加释放释放10－－15 动能动能 约束聚变材料的方法：约束聚变材料的方法：________、、 ______、、 _________．．三、核能的利用与环境保护三、核能的利用与环境保护核电站，是利用核能发电，它的核心设施是核电站，是利用核能发电，它的核心设施是_________ ，， 核电站就是将反应堆释放的核电站就是将反应堆释放的___能转化为电能的发电厂．能转化为电能的发电厂．核武器核武器 原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器． (1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性_____ 反应装置．反应装置． (2)氢弹：是一种靠氢弹：是一种靠_________ 、不需人工控制而实现、不需人工控制而实现____ 的反应装置．的反应装置．引力约束引力约束磁约束磁约束惯性约束惯性约束核反应堆核反应堆链式链式惯性约束惯性约束聚变聚变核核 (1)优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多．染比燃煤发电小得多．(2)危害：核废料具有高放射性．危害：核废料具有高放射性．核能的优势与危害核能的优势与危害 要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离要使轻核聚变，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，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．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．热，使物质达到几百万开尔文的高温．从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚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．变反应是一个放能反应．核聚变的发生条件及特点核聚变的发生条件及特点聚变发生的条件聚变发生的条件放能反应放能反应 应用应用 (1)核武器核武器——氢弹．氢弹． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段．可控热核反应：目前处于探索阶段． 轻核聚变与重核裂变的区别轻核聚变与重核裂变的区别反应方式反应方式比较项目比较项目重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变放能原理放能原理重核分裂成两个或重核分裂成两个或多个中等质量的原多个中等质量的原子核，放出核能子核，放出核能两个轻核结合成质两个轻核结合成质量较大的原子核，量较大的原子核，放出核能放出核能放能多少放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大出的能量大约要大3～～4倍倍核废料核废料处理难度处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多简单得多 反应方式反应方式比较项目比较项目重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变原料的原料的蕴藏量蕴藏量核裂变燃料铀在地球核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用上储量有限，尤其用于核裂变的铀于核裂变的铀235在在铀矿石中只占铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富球上的储量非常丰富.1 L海水中大约有海水中大约有0.03 g氘，氘，如果用来进行热核反应，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧放出的能量约与燃烧300 L汽油相当汽油相当可控性可控性速度比较容易进行人速度比较容易进行人工控制，现在的核电工控制，现在的核电站都是用裂变反应释站都是用裂变反应释放核能放核能目前，除氢弹以外，人目前，除氢弹以外，人们还不能控制它们还不能控制它 以下说法正确的是以下说法正确的是 ( )．．A．聚变是裂变的逆反应．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．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开尔文以上的高温，显．聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显 然是吸收能量然是吸收能量D．裂变与聚变均可释放巨大的能量．裂变与聚变均可释放巨大的能量【【典典例例1】】对核聚变的理解及其核反应方程对核聚变的理解及其核反应方程 解析解析 A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等核，然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反．．C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大万开尔文的高温提供能量．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放能量．于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放能量．答案答案 D 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实验装置(又称又称“人造太阳人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于已完成了首次工程调试．下列关于“人造太人造太阳阳”的说法中正确的是的说法中正确的是 ( )．．答案答案 AC【【变式变式1】】 下列说法不正确的是下列说法不正确的是 ( )．．解析解析 A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A说法正确；说法正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故变反应，故B说法正确；在说法正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是粒子，是α衰变，衰变，C说法是正确的；而说法是正确的；而D应是应是β衰变，故不正确，故答案为衰变，故不正确，故答案为D.答案答案 D【【典典例例2】】核反应类型的判断核反应类型的判断 借题发挥借题发挥 主要核反应类型有： 主要核反应类型有：(1)衰变：衰变是原子核自衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出发转变为另一种核并辐射出α或或β粒子．粒子．(2)人工转变：人工人工转变：人工转变常用转变常用α粒子粒子(也可用中子等也可用中子等)轰击原子核，该核捕获轰击原子核，该核捕获α粒粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．(3)核裂变：核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多或更多)中等质量的核，中等质量的核，并放出几个中子．并放出几个中子．(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子．核聚变：轻核聚变时也会放出中子． 下列说法正确的是下列说法正确的是 ( )．．解析解析 本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放 本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力，选项的记忆及分析判断能力，选项A、、D为原子核的人工转变，选项为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项为原子核的衰变，故选项B、、D正确．正确．答案答案 BD【【变式变式2】】 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量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 3 u，中子质量，中子质量mn＝＝1.008 7 u，氚核质量，氚核质量m＝＝3.018 0 u．求：．求：(1)写出聚变方程；写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？平均每个核子释放的能量是多大？(2)质量亏损质量亏损Δm＝＝mH＋＋2mn－－mT＝＝(1.007 3＋＋2×1.008 7－－3.018 0) u＝＝0.006 7 u，，【【典典例例3】】计算核聚变释放的能量计算核聚变释放的能量 释放的核能释放的核能ΔE＝＝Δmc2＝＝0.006 7×931.5 MeV＝＝6.24 MeV.答案答案 见解析 见解析借题发挥借题发挥 轻核聚变释放核能的计算方法 轻核聚变释放核能的计算方法(1)根据质量亏损计算根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空的千克数乘以真空中的光速中的光速(c＝＝3×108 m/s)的平方，即的平方，即ΔE＝＝Δmc2.①①(2)根据根据1原子质量单位原子质量单位(u)相当于相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即，即ΔE＝＝Δm×931.5 MeV②②注意：式注意：式①①中中Δm的单位为的单位为kg，式，式②②中中Δm的单位是的单位是u，，ΔE的单位是的单位是MeV. 一个氘核和一个氚核聚变成氦核，放出一个中子，这个一个氘核和一个氚核聚变成氦核，放出一个中子，这个反应中放出了多少核能？已知反应中放出了多少核能？已知mD＝＝2.014 102 u，，mT＝＝3.016 050 u，，mHe＝＝4.002 603 u，，mn＝＝1.008 665 u.解析解析 质量亏损为 质量亏损为Δm＝＝mD＋＋mT－－mHe－－mn＝＝0.018 884 u，，该反应放出的能量为该反应放出的能量为ΔE＝＝0.018 884×931.5 MeV＝＝17.59 MeV. 答案答案 17.59 MeV【【变式变式3】】 A．聚变反应不会释放能量．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用．目前核电站都采用 聚变反应发电聚变反应发电对核聚变的理解及其核反应方程对核聚变的理解及其核反应方程1. 解析解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．发电．答案答案 B 某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，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方程中其中的两个核反应方程为方程中Q1、、Q2表示释放表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：的能量，相关的原子核质量见下表：以下推断正确的是以下推断正确的是 ( )．．2．． 答案答案 B A．．①①是裂变，是裂变，②②是是β衰变，衰变，③③是聚变是聚变B．．①①是聚变，是聚变，②②是裂变，是裂变，③③是是β衰变衰变C．．①①是是β衰变，衰变，②②是裂变，是裂变，③③是聚变是聚变D．．①①是是β衰变，衰变，②②是聚变，是聚变，③③是裂变是裂变核反应类型的判断核反应类型的判断3．． 解析解析 原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做 原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变，衰变，①①为为β衰变，原子序数较大的重核分解成原子序数衰变，原子序数较大的重核分解成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变，较小的原子核，叫做重核裂变，②②为裂变．原子序数很小为裂变．原子序数很小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，③③为聚变．故正确答案为为聚变．故正确答案为C.答案答案 C (1)写出聚变的核反应方程；写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？(2)此反应过程的质量亏损为此反应过程的质量亏损为Δm＝＝2.014 1 u＋＋3.016 0 u－－4.002 6 u－－1.008 665 u＝＝0.018 835 u，，计算核聚变释放的能量计算核聚变释放的能量4．． ΔE＝＝Δmc2＝＝0.018 835×931.5 MeV＝＝17.5 MeV. 。