高中物理原子核核聚变粒子物理学简介教师用书教科版

6.核聚变

7．粒子物理学简介(选学)

学习目标知识脉络

1.知道聚变反应，关注受控聚变反

应研究的进展.

2.通过核能的利用，思考科学技术

与社会进步的关系.

3.初步了解粒子物理学的基础知

识.

4.了解、感受科学发展过程中蕴藏

着的科学和人文精神.

核聚变

[先填空]

1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．

2．热核反应

(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He＋10n＋17.60 MeV

(2)反应条件

①轻核的距离要达到10－15m以内．

②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

(3)优点

①轻核聚变产能效率高．

②地球上聚变燃料的储量丰富．

③轻核聚变更为安全、清洁．

3．可控核聚变反应研究的进展

(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展．

(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式．

(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希

望．

3．恒星演化中的核反应

(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．

(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84Be→12 6C.

[再判断]

1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)

2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)

3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)

[后思考]

1．核聚变为什么需要几百万度的高温？

【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．

2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？

【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．

3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？

【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．

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．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．

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．下列关于聚变的说法中正确的是 ( )

A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D．自然界中不存在天然的热核反应

E．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能

【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确，E错误；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．【答案】ABC

2．如图3­6­1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)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是( )