高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 原子能发电素材 鲁科版选修35

同步测控
我夯基，我达标
1._________年_________月_________日，我国第一颗原子弹爆炸成功，同时我国政府郑重宣布：中国在任何时候、任何情况下，都不会首先使用核武器.
答案：1964 10 16
2.原子弹的结构有_________和_________两种，爆炸时都要使裂变物质达到_________，以形成_________反应.
答案：枪式 内爆式 临界体积 链式
3.在核反应堆中，石墨的作用是_________；镉棒的作用是_________；水泥防护层的作用是_________.
答案：减速剂 控制链式反应速度 安全壳
4.链式反应就是一个重核吸收一个中子后发生裂变时，分裂成两个_________核，同时释放若干个_________，如果这些中子再引起其他重核的裂变，就可以使这种_________不断地进行下去，这种反应叫重核裂变的链式反应.
答案：中等质量 中子 裂变
5.1964年至1967年我国第一颗原子弹和第一颗氢弹相继试验成功.1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委隆重表彰为研制“两弹一星”作出杰出贡献的科学家.下列核反应方程中属于“两弹”的基本反应方程式是( )
A.U 23892→Th 23490+He 42
B.N 147+He 42→O 178+H 11
C.U 23592+n 10→Sr 9038Sr+Xe 13654+10n 10
D.H 12+H 31→He 42+n 10
解析：原子弹的原理是重核的裂变，而氢弹的原理是轻核的聚变，反应的方程式就是C 、
D.
答案：CD。

裂变与链式反应谈论能源命题都可以由二十世纪最杰出的科学家爱因斯坦的著名方程式E＝mc2谈起。

这个简明方程揭示，自然界最重要的规律就是任何物质的一定质量是和它具有的一定能量相联系。

质量和能量是反映物质属性的两个物理量，质量与能量不是各自不相干的而是相互紧密联系着的，或者说一定的质量是和一定的能量相当。

这里c是代表光速，其数值约等于每秒 300，000公里，E是静止物体所含的能量， m是它的质量，图8-1 爱因斯坦质量m所具有的能量等于这质量乘以光速的平方。

这就是说，普通一个具有一定质量的物体，它都具有非常大的能量，譬如说任何具有一克质量的物体它都具有很大数量的能量，它大约相当具有2500万度的电能。

但是为什么我们通常看不到普通的物质放出这样巨大的能量呢？这是因为在通常的物理、化学、生物的变化中，甚至在极其剧烈的变化中如木材、煤、汽油的燃烧时，它们质量几乎没有发生任何变化，不过它们大都从固态变成气态，如变成二氧化碳跑到空气中去，当然在燃烧这些燃料时我们可以得到不少能量。

根据质能相当原理，那末被燃烧的物体必定亏损掉一点质量，通过计算表明，燃烧一吨煤，如果我们能够把生成的二氧化碳质量和燃烧前的煤加上燃烧时消耗空气中氧的质量作比较，则可以发现燃烧过程将会失去0.000028克的质量。

对这种现象的解释，爱因斯坦曾作过一个生动的比喻：“只要没有向外放出能量，能量就观察不到。

这好比一个非常有钱的人，如果他从来不花费也不给别人一分钱，那末就没有谁能说出他有多少财产。

”所以说，要发生非常大的能量变化，只能在质量发生比较大变化的情况下才能产生。

那末发生质量稍微大点的变化情况应在那里去找呢？前面煤的燃烧表明普通的化学反应过程质量的变化是微乎其微，这是因为化学反应只牵涉到某些原子中的电子轨道变化，它们的总质量几乎不会发生什么可觉察的变化，但它们这些无足轻重的变化，客观上已经提供了不少的能量。

对一个原子来说，它百分之九十九点九的质量是集中在原子核当中，显而易见，只能在原子核发生变化时才能提供大的质量变化。

原子能在交通上的应用《西游记》中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。

这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。

原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。

所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。

而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。

利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。

原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。

（一）航海汽核潜艇我们对它早就不陌生。

美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。

一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充图9-2 核潜艇分燃烧才行。

所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。

而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。

除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。

它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。

1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。

它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。

近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。

4． 4 《核能的利用与环境保护》教案【学习目标】1、认识核反响堆和核电站的基来源理2、认识核能利用的优势、危害及其防备举措【学习重点】反响堆和核电站的基来源理【知识重点】一、核电站核反响堆是核电站的心脏．它是人工控制链式反响的装置，能够使核能较缓和的开释出来．核电站的工作模式：是以核反响堆为能源，产生高压蒸汽，代替发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基真同样．如课本图所示，它主要由裂变反响堆、第一回路系统、第二回路系统及其余协助系统构成．4JzUR98iFE 二、核武器原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反响装置。

氢弹：是一种靠惯性拘束、不需要人工控制而实现聚变的反响装置，它利用23H快速地聚变为4H，产生比原子弹更加激烈的爆炸。

4JzUR98iFE1H和1三、核能的优势与危害核能作为一种新能源，有很优势：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。

核能的利用也存在一些危害：核燃料使用后会存留必定量拥有高放射性的核废料；核武器的威力巨大，不单能摧毁地球上的生命，还可以使生态环境遇到严重损坏。

4JzUR98iFE【典型例题】例题 1：秦山核电站第一期工程装机容量为30 万 kW ，假如 1g 铀 235 完整裂变时产生的能量为 8.2 1010 J，而且假定产生的能量都变为了电能，那么，每年要耗费多少铀 235?<一年按 365 天计算）4JzUR98iFE学生回答：解：核电站每日的发电量为 W=Pt=3× 108× 24× 3600×1013，每年的发电量 W 总×1015而铀完整裂变时产生的能量为：J×10J 1 g10J因此，每年耗费的铀的量为：m 10151.15 102kg 4JzUR98iFE10kg10例题 2：水<包含海水）是将来的“煤炭”，能从根本上解决人类能源问题。

这是指<填“氢能”、“核能”、“氢能和核能”）和利用。

核爆炸的和平利用强烈的核爆炸被超级大国作为进行核讹诈政策服务，因而“核爆炸”一词听起来似乎令人生畏。

但是，核爆炸也完全可以为和平建设服务。

原子爆炸可以使大规模的治山治水的工程得以加速进行，据计算，一公斤核燃料爆炸，就可以搬走相当于二十五万人工一天劳动开挖的土方。

美国早在多年以前就计划过“犁头”规划，准备爆炸几颗核弹头来改造自然。

核爆炸形成的巨大土方，可以形成很大堆积，几分钟时间能在一条大的河流上形成一个土方大坝来改变河流方向。

譬如说，在我国西北地区有不少浩瀚无边的大沙漠，就因终年缺水成为不毛之地，如新疆塔里木盆地，有图9-8 核爆炸的和平利用一块面积接近江、浙两省面积的大沙漠，叫塔克拉玛干大沙漠，一条很大的塔里木河就绕着它白白流去。

如果能用核爆炸在塔里木河中段筑起大坝，迫使河流改道流入大沙漠中部。

同时再纵横交错开出二条大运河，把塔里木盆地北部的塔里木河，与南部的克里雅河相沟通，那么赤地千里的沙漠将变成无垠的绿洲。

我们还可以按自己的意志，在需要蓄水的地区，用核爆炸开挖出一系列直径从几百公尺到几千公尺大小不等的人工湖泊，把祖国的西北大地点缀起来。

这样，西北地区的气候将发生很大变化，也许会变得温暖宜人，风调雨顺，遍地郁郁葱葱。

正如毛主席在一九三五年长征路过昆仑山时写下的《念奴娇·昆仑》那样：“而今我谓昆仑：不要这高，不要这多雪。

安得倚天抽宝剑，把汝裁为三截？一截遗欧，一截赠美，一截还东国。

太平世界，环球同此凉热”。

我国的西南有世界上最高的青藏高原，横亘着连绵不断的高山峻岭，将来也可以考虑用核爆炸在沉睡千年的深山里，炸开一个个通道，更紧密地把西藏和祖国东部地区联系在一起。

核爆炸更可以应用在石油的开采和大型铁矿、煤矿露天开采的剥离土方工作上。

有些油田地质比较特殊，岩层过于紧密，含油层处于较深的地层下，开采比较困难，如果采用适当的地下核爆炸，压碎岩层结构，增加岩层的空隙度，就可以使深部高压的含油层、含气层，逐步通过岩层缝隙跑到上部，这样只要钻探一些浅井即可采油。

受控热核反应受控热核反应是一门新兴的学科，至今才有二十余年历史。

由于工农业生产的发展，能源的需要急剧上升。

据统计世界能源的需要每八年翻一番。

受控热核反应是核能利用的第二条途径，有可能是一个新的廉价的巨大能源，因此这门学科受到各国的普遍重视，发展极为迅速。

1．受控热核反应棗未来世界能源问题比较彻底解决的途径。

虽然重核的裂变为人类提供了一个崭新的能源，但仍然有它一定的局限性，譬如核燃料工艺复杂、费用昂贵、使用之后废物综合处理困难等都还一时难以解决，而且铀燃料的储量毕竟还是有限，所以还得寻找一项更为理想的核能利用途径。

热核反应所需要的原料是重氢（即氘），它含在普通的水中，而水则遍布地球的五洲四大洋。

据估计，仅从海水中提取的氘，就可供人类使用200亿年，因此可以说，受控热核反应这个新的核能源是取之不尽、用之不竭，是解决未来世界能源的一个重要方向。

除了原料来源极端丰富之外，热核反应还具有如下几个独特优点：它单位质量释放能量比裂变反应释放能量高3～4倍；热核反应之后最后生成物是α粒子与中子，放射性少，放射性寿命短，比裂变过程要干净得多；从热核反应中得到大量的中子，它可以用来生产核武器中的重要原料“钚”。

所以受控热核反应的研制具有很大的政治意义、经济意义和军事意义。

2．受控热核反应的简单原理受控热核反应是利用元素周期表中最轻的元素氘（或者氚）聚变反应成紧密束缚的较重的氦原子核，从而释放出巨大图8-5 质量亏损示意的能量。

这能量是由于聚变反应前后发生了质量亏损，即氘和氚聚合成氦（He4）加中子，会出现后者比前者质量减少的现象。

根据爱因斯坦公式E＝mc2，亏损掉的质量就会以和它相当的能量形式释放出来。

但由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间有很强的静电排斥力，只有当我们使它们之间用极高的速度相互碰撞，才会发生数量可观的聚变反应。

这速度据计算，差不多需要每秒几百公里至一千公里。

用人为的办法实现这个反应目前已经在氢弹爆炸中做到了，但它是非可控的，其释放的能量难于利用。

原子能发电（一）核电站的特殊优点随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。

据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。

目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。

据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。

所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。

原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。

目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。

尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。

核电站究竟有什么独特的优点呢？我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。

核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。

我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。

此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。

当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。

核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。

一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。

例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。

一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。

即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。

象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。

第4节 核能的利用与环境保护思维激活核反应中的反应能是怎样的？提示：在核反应过程中，体系的总质量和总能量保持不变，但是，静止质量和总动能是变化的，我们把反应后的总动能与反应前的总动能之差称为反应能，它是反应过程中放出或吸收的净能量.反应能等于反应后系统的静止质量之差对应的能量，若反应后系统的静止质量比反应前减少了，则其总动能比反应前一定增加了，故为放能反应；反之为吸能反应. 自主整理1.目前核电站的反应堆以_________为燃料，发电成本低于煤电.2.原子弹是一种没有减速剂、不加控制的_________装置.一种装置称为_________装置；另一种方法称为_________.3.氢弹是一种靠_________不需人工控制而实现聚变的反应装置.在弹体内装有热核材料_________、_________以及_________.当普通炸药爆炸时，铀块或钚块迅速合为一体，使其体积超过_________而发生原子弹爆炸.爆炸的高温高压使氘、氚等轻核发生_________，产生很高的能量直至再次发生更大规模的爆炸.高手笔记原子弹 原子弹就是设法使铀235的体积超过它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内，释放出大量的核能，发生猛烈爆炸.氢弹 氢弹则是利用原子弹爆炸产生的热核反应提供所需温度，使氘和氘发生聚变，从而引起新的爆炸.中子弹 中子弹是以氘和氘进行热核反应为主要能量来源，以爆炸中产生大量的高能中子作为主要杀伤因素的一种小当量战术核武器.中子弹实际上是一种经过改进的加强辐射的小型氢弹，与氢弹不同的是它要求裂变初级的裂变当量不能大(一般为几百到上千吨TNT 当量). 自1945年世界上成功地进行了第一次核试验以来，由于核武器具有巨大的威力，得到了各国政府的高度重视，在国际政治、军事、外交等各方面起着极其重要的作用. 名师解惑1.氢弹爆炸的原理剖析：氢弹是利用轻核聚变制成的爆炸武器，其构造如图4-4-1所示.聚变材料是氘和氚,产生聚变反应的高温条件是原子弹的爆炸提供的.当引爆装置引起普通炸药爆炸时，将铀块迅速合拢产生原子弹爆炸，由此产生的高温使氘和氚迅速、剧烈地进行生成氦的热核反应，引起氢弹的爆炸.氢弹的炸药氘和氚没有临界体积的限制，可以做得很大.但氚是不稳定的核素，其半衰期为12.5年，所以不能久存.氢弹常用氘化锂和氚化锂作原料，在原子炸药爆炸时产生的大量中子轰击锂核可以产生氚，以补充氚的供应.氢弹爆炸时完成以下反应：图4-4-1n 1+Li 63→H 31+He 42+4.8 MeV H 31+H 12→52He→He 42+n 10+17.6 MeV2.太阳能剖析：太阳每时每刻都在向太空辐射着巨大的能量，其辐射功率大约是1026 J·s -1.这些能量来自太阳上持续进行的热核反应.目前，人们认为太阳上主要存在着两种聚变过程：一种是所谓的碳—氮循环，其具体反应过程如下：C 126+H 11→N 137+γ N 137→C 136+β++ν C 136+H 11→N 147+γ N 147+H 11→O 158+γ O 158→N 157+β++ν N 157+H 11→C 126+He 42总的循环结果是把四个质子聚合成了一个He 42，同时放出了两个β+粒子、两个中微子和大约26 MeV 的能量.在这个循环中碳和氮数量不变，只起媒介作用.另一种是氢—氢链式反应，具体反应如下：H 11+H 11→H 12+β++ν H 12+H 11→He 32+γ He 32+He 32→He 42+H 112这些反应总的结果与上面碳—氮循环反应相同.根据目前的数据，氢—氢链式反应在太阳中是主要的反应过程，产生的能量约占总能量的96%.讲练互动【例题】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)写出氘和氚聚合的反应方程.(2)试计算这个核反应释放出来的能量.(3)若建一座功率为3.0×105 kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？(一年按3.2×107 s 计算，光速c=3.00×108 m/s ，结果取两位有效数字)解析：(1)H 12+H 31→He 42+n 10.(2)ΔE=Δmc 2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×32×1016J=2.8×10-12 J. (3)M=EPt 2×2.014 1×1.66×10-27 kg=122778108.21066.10141.2102.31032--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯kg=23 kg. 答案：(1)H 12+H 31→He 42+n 10(2)2.8×10-12 J (3)23 kg变式训练海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源.两个氘核的核反应如下：H 12+H 12→He 32+n 10，其中氘核质量为2.013 6 u ，氦核质量为3.015 0 u ，中子质量为1.008 7u.求：(1)核反应中释放的核能.(2)在两个氘核以相等的动能0.35 MeV 进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能.解析：(1)由ΔE=Δmc 2得：释放的核能ΔE=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u×931.5 MeV/u=3.26 MeV.(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0=m He v He +m n v n ① 又因为反应前后总能量守恒，即21m He v He 2+21m n v n 2=ΔE+2E k0② 因为m He ∶m n =3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：31=n He v v 把这两个关系代入②式得：ΔE+2E k0=4×21m He v He 2=4E kHe 即(3.26+2×0.35) MeV=4E kHe 所以E kHe =0.99 MeVE kn =3E kHe =2.97 MeV.答案：(1)3.26 MeV(2)E kHe =0.99 MeV ，E kn =2.97 MeV体验探究【问题】为什么国际社会不允许无核武器国家获取或制造核武器？导思：主要从放射性物质对人类、自然界的危害来考虑.探究：核武器主要原料是U 23592这一放射性物质，还包括U 23892和Pu 23994以及其他高放射性物质.核武器爆炸后在相当长的时间内生物不能生存，甚至致癌，或导致后代畸形.造成大面积的地区污染，给人类和自然界带来恐慌和动荡，所以要禁止核扩散.。

鲁科版选修(3-5)高二物理第四章课件：核能
导读：本文鲁科版选修(3-5)高二物理第四章课件：核能，仅供参考，如果觉得很不错，欢迎点评和分享。

鲁科版选修(3-5)第四章《核能》ppt 核力（nuclear force)
强力（强相互作用）
短程力，作用范围在2fm左右
核力与核电荷无关
核子不能无限靠近，在某些情况下表现为斥力。

大体上说核子间的距离在0.8~1.5fm 之间表现为引力；小于0.8fm表现为斥力，大于4~5fm时核力急剧下降，几乎消失；大于10fm时，核力消失。

核素（nuclide）：具有一定核电荷数和质量数，并且具有同一能态的一种原子核或原子，称为一种核素。

通常核素可简记为AX （如13C）
原子序数越大，稳定核素的中子数越来越大于质子数
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第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护●课标要求1．了解聚变反应的特点及其条件．2．了解可控热核反应及其研究和发展，知道核电站的工作模式．3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景．●教学地位轻核的聚变也是核能释放的一条途径，聚变反应中，平均每个核子放出的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．但要让学生知道聚变反应要求条件很高，科学家正在研究和实验可控热核反应的装置．同时还要让学生了解热核反应在宇宙中是很普遍的，如太阳和许多恒星内部就进行着激烈的热核反应，但自然界中的热核反应不是人为控制的，我国在可控热核反应方面的实验处于世界前列．有关核反应及核电站的内容学生初中已学过，教学中最好指导学生阅读有关核反应堆和增殖反应堆的内容，同时让学生树立一种观念，要一分为二的看清事物，核能可以造福人类，但也潜伏着对人类的危害和对环境的破坏作用.●新课导入建议 问题导入大海航行靠舵手，万物生长靠太阳．没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象，当然也不会孕育出作为智能生物的人类．太阳是靠什么为地球生命提供巨大的能量呢？●教学流程设计课前预习安排：1.看教材2.填写【课前自主导学】同学之间可进行讨论⇒步骤1：导入新课，本节教学地位分析⇒步骤2：老师提问，检查预习效果可多提问几个学生⇒错误!⇓步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇒步骤6：完成“探究重在比较两种核反应⇐步骤5：师生互动完成“探究方式同完成探究1相同⇐步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】1.(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． 2．思考判断(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．(√) 3．探究交流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1.(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23592U 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． 2．思考判断(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．(×) 3．探究交流原子弹和氢弹的原理有何不同？【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，它利用21H 和31H 迅速地聚变成42He ，产生比原子弹更为强烈的爆炸．1．聚变反应过程中平均结合能如何变化？ 2．聚变反应发生的条件是什么？ 3．氢弹是轻核聚变反应吗？1．从平均结合能的图线看，聚变后平均结合能增加，因此反应中会释放能量．例如：31H ＋21H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m ，但是原子核是带正电的，要使它们之间的距离接近10－15m 就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温．3．氢弹氢弹是一种利用轻核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置．由于轻核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以先利用原子弹爆炸达到这样高的温度，在高温高压下，进而使核燃料发生核反应，原子弹爆炸时产生的高温，可以使其中的轻核发生如下核反应21H ＋21H ―→31H ＋11H ＋4.0 MeV 21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 21H ＋21H ―→32He ＋10n ＋3.25 MeV 32He ＋21H ―→42He ＋11H ＋18.3 MeV 所以氢弹爆炸时能释放更为巨大的能量．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H ＝1.007 3 u ，中子质量m n ＝1.008 7 u ，氚核质量m ＝3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？【审题指导】 (1)根据电荷数守恒和质量数守恒写核反应方程． (2)根据已知质量计算出核反应中的质量亏损． (3)根据爱因斯坦质能方程求释放的核能．【解析】 (1)聚变方程：11H ＋210n→31H. (2)质量亏损 Δm ＝m H ＋2m n －m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u ＝0.006 7u ，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV ＝2.08 MeV.【答案】 (1)11H ＋210n ―→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV1．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( )A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H ―→42He ＋10nB ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310nC ．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2D ．“人造太阳”核能大小的计算公式是E ＝12mc 2【解析】 “人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为21H ＋31H ―→42He ＋10n ，而B 选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2，而核能大小的计算公式为E ＝mc 2，故选项A 、C 正确．1．核能与常规能源相比有哪些明显优势？ 2．如何解决核能利用与环境保护的关系？ 3．怎样才能很好的处理核废料？ 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．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核能 【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．【答案】 C2．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 ．核能发电对环境的污染比火力发电要大C ．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D ．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【解析】 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A 、C 正确，B 、D 错．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，显然是吸收能量D ．裂变与聚变均可释放巨大能量【规范解答】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 错、D 正确．【答案】 D【备课资源】(教师用书独具)热聚变堆现在，物理学家终于成功研制出了热聚变堆．凭着对聚变反应的研究，我们有望摆脱核裂变发电厂带来的诸多问题——比如核废料，核武原料，亦或是炉心熔解．最前沿的在建聚变反应堆是ITER，国际热核聚变试验反应堆．其核心，托卡马克反应装置用磁场约束氘和氚，再用微波将其加热到15亿摄氏度．该热量可以驱动涡轮机，进而发电．若于2019年建成后，ITER的发电能力将达到五十万千瓦，但是——ITER只供实验使用．真正想等发电用的聚变堆，最乐观的估计也要到2040年．另外，如果想要完全将聚变堆用于发电，还需要解决两个问题：一是什么材料能够挡住反应副产物带来的高强度的辐射，二是重达10 t的零部件应该由怎样的机器人去替换.1．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【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．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，C错误．放射性对人体和环境都有危害，D正确．【答案】ABD2．(2013·芜湖检测)科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He＋32He―→211H＋42He.关于32He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32He聚变反应发电【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．因此B 正确．【答案】 B3．(2012·榆林检测)北京成功地举办了一届“绿色奥运”，场馆周围80%～90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水采用了全玻璃真空太阳能集热技术．太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是( )A ．411H ―→42He ＋201e B.14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H C.235 92U ＋10n ―→136 54Xe ＋9038Sr ＋1010n D.238 92U ―→234 90Th ＋42He【解析】 热核聚变是指轻核结合为质量较重的核的反应，故A 正确；B 项中为实现原子核人工转变的反应．C 项中为裂变反应，D 项中为衰变，均不属聚变反应．故B 、C 、D 不正确．【答案】 A4．(2013·西安一中检测)核电站与原子弹都是利用核裂变释放的能量．(1)核电站的工作原理是利用反应堆释放的________产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机产生________；(2)广岛原子弹“小男孩”释放的能量为2万吨TNT ，如果1 g 铀235完全裂变产生的能量为8.2×1010J ，并假定能量全部释放出来，那么“小男孩”要消耗多少铀235？(1 kgTNT＝4.2×106J)【解析】 (1)核电站把裂变的核能转化为电能． (2)2万吨TNT 的能量值E 1＝2×104×103×4.2×106 J ＝8.4×1013 J. 消耗的铀235 m ＝E 1E 2＝8.4×10138.2×1010 g≈1.0×103 g ＝1.0 kg. 【答案】 (1)核能 电能 (2)1.0 kg。