高中物理 第4章 核能 4.3 核聚变 4.4 核能的利用与环境保护教案 鲁科版选修3-5

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
错误!⇒错误!⇒错误!⇒错误!
⇓
步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇒错误!⇐错误!⇐错误!
⇓
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】
危害及其防护措施。

轻核聚变及可控热核聚变反
应
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
错误!H＋错误!H→错误!He＋错误!n。

（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，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹。

核能的利用及环境保护
1.基本知识
(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：反应堆以错误!U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，它利用错误!H和错误!H迅速地聚变成错误!He，产生比原子弹更为强烈的爆炸．
轻核聚变反应的理解
【问题导思】
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：错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n＋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10－15 m，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错误!H＋错误!H―→错误!H＋错误!H＋4.0 MeV
错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n＋17。

51 MeV
错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n＋3.25 MeV
错误!He＋错误!H―→错误!He＋错误!H＋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：错误!H＋2错误!n→错误!H。

（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＝Δmc2＝0。

006 7×931.5 MeV＝6。

24 MeV。

（3)平均每个核子放出的能量为错误!MeV＝2.08 MeV。

【答案】（1)错误!H＋2错误!n―→错误!H
(2)6.24 MeV（3）2。

08 MeV
1．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”的核反应方程是错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n B．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋错误!n―→错误!Ba＋错误!Kr＋3错误!n
C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2
D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝错误!mc2
【解析】“人造太阳"发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n，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＝Δmc2，而核能大小的计算公式为E＝mc2，故选项A、C正确．
【答案】AC
核能的利用与环境保护
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】C
2．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．【答案】AC
综合解题方略——聚变反应和
裂变反应的比较
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
反应方式
比较项目
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大约要大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
235U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
应放出的能量约和
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
电站还都是用裂变
目前，除氢弹以外，
人们还不能控制它
反应释放核能
【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】ABD
2．(2013·芜湖检测）科学家发现在月球上含有丰富的错误!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3，2He＋32He―→211H＋4，2He。

关于错误!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．目前核电站都采用错误!He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】B
3．(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 ．4错误!H ―→错误!He ＋2错误!e
B.错误!N ＋错误!He ―→错误!O ＋错误!H
C 。

错误!U ＋错误!n ―→错误!Xe ＋错误!Sr ＋10错误!n
D.错误!U ―→错误!Th ＋错误!He
【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】 A
4．（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8.2×1010 J ，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 ＝4.2×106 J)
【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
＝错误! g≈1.0×103 g ＝1.0 kg 。

【答案】 （1）核能 电能
(2)1。

0 kg。