5.3聚变与受控热核反应-5.4核能利用与社会发展 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展学习目标 1.了解核聚变及其特点和条件.2.会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量核聚变导学探究1为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几千万开的高温？答案轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为1015 m；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度2(1)目前人们能实现的核聚变是什么？(2)实现热核反应存在的困难是什么？(3)如何实现对热核反应的控制？答案(1)目前人们能实现的热核反应是

2、氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应，但这是不可控制的(2)实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温(3)可能实现对热核反应的控制方法：磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质环流器是目前性能最好的一种磁约束装置惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应知识梳理1对核聚变的认识(1)核聚变定义：使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时释放核能核反应举例：HHHen17.6 MeV.聚变的条件：必须使原子核的距离接近到1015 m以内，为此必须有几千万开以上的高温才行，所

3、以，聚变又叫热核反应(2)受控热核反应“托卡马克”：是一种利用强磁场约束等离子体的环流器激光聚变的构想：1964年，我国著名物理学家王淦昌与苏联科学家各自独立地提出了激光聚变的构想，即用高功率的激光束打在氘、氚组成的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚变2核能利用与社会发展(1)核能的优越性核燃料提供的能量巨大核燃料的储量丰富核燃料的运输和储存方便清洁卫生，对环境的污染小(2)核安全性与核废料处理核电站的安全性能：核电站是现代科学技术综合发展的产物，它的科学设计、精心制造、可靠运行和多重安全措施，使得发生重大事故的可能性远比其他自然或人为灾害的要小，核电站是安全可靠的核废料的处理：我国对核废料采用

4、后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料即学即用判断下列说法的正误(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()(3)轻核聚变比重核裂变更完全、清洁()(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度()核聚变的特点及应用1核聚变的特点(1)轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应(2)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(3)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(4)普遍性

5、：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2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3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34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

6、 L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汽油释放的能量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，人们还不能控制它例1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：HHHeX，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，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)答案n(或中子)17.6解析根据质量数守恒和电荷数守恒可得X是n(中子)核反

7、应中的质量亏损为m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u所以该反应释放出的能量为Emc217.6 MeV.例2(2018成都外国语学校高二期末)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3、m4，氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子的反应方程为：HHHen.对于这个反应，以下说法正确的是()A氘核和氚核的平均结合能比氦核大，所以该反应会释放核能B氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大，所以该反应会吸收一定的能量C该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是mm1m2(m3m4)D该反应是轻核的聚变，反应中释放的核能为E(m3m4m1m2)c2答案

8、C解析氘核和氚核的平均结合能小于氦核的平均结合能，氘核和氚核的核子平均质量比氦核大，该反应会放出一定的能量，故A、B错误；该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是mm1m2(m3m4)，释放的核能为Emc2(m1m2m3m4)c2，故C正确，D错误1(对核聚变的理解)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2He2HHe，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聚变反应发电答案B解析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

9、释放，B正确，A、C错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电，D错误2(核反应方程的理解)(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，表述正确的有()A.HHHen是核聚变反应B.HHHen是衰变C.UnBaKr3n是核裂变反应D.UnXeSr2n是衰变答案AC解析两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对，D错3(核聚变释放核能的计算)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳

10、的能源(已知质子质量为mH1.007 3 u，氦核质量为mHe4.001 5 u，正电子质量为me0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，结果保留四位有效数字)(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反应能释放多少能量？答案(1)4HHe2e(2)24.78 MeV解析(1)由题意可得核反应方程为4HHe2e.(2)反应前的质量m14mH41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4002 6 u，质量亏损mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量Emc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV.