高中物理第4章核能3核聚变4核能的利用与环境保护学案鲁科版选修3_5

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护

[目标定位] 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.3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类.4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．

一、轻核聚变

1．定义

采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式获得核能的核反应，称为轻核聚变．

2．核反应举例21H＋31H―→42He＋10n.

3．能量变化

轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．

二、可控热核聚变反应

1．热核聚变反应的条件

必须使原子核的距离达到10－15 m以下，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．2．约束聚变材料的方法

引力约束、磁约束、惯性约束．

三、核能的利用与环境保护

1．核电站是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂，它的核心设施是核反应堆．

2．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．

3．核能的优势与危害

(1)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．

(2)危害：核废料具有高放射性．

一、核聚变及核能的计算

1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近到核力发生作用的距离10－15m内，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，因此聚变反应是放能反应．

3．聚变方程：

21

H ＋31H ―→42He ＋1

0n ＋γ.

4．重核裂变与轻核聚变的区别

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开尔文以上的高温，显然是吸收能量

D ．裂变与聚变均可释放巨大的能量 答案 D

解析 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质量核，而聚变则是轻核聚合成为较重核，无直接关联，并非互为逆反应，A 项错；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，B 项错；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，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，故C 项错，D 项对．

【例2】 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 T ＝3.018 0 u ．求：

(1)写出聚变方程． (2)释放出的核能是多大？

(3)平均每个核子释放的能量是多大？ 答案 见解析

解析 (1)聚变方程1

1H ＋21

0n ―→3

1H. (2)质量亏损

Δm ＝m H ＋2m n －m T ＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u ＝0.006 7 u ， 释放的核能

ΔE ＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV.

(3)平均每个核子放出的能量为6.24

3 MeV ＝2.08 MeV.

借题发挥 轻核聚变释放核能的计算方法 (1)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(Δm )的千克数乘以真空中的光速(c ＝3×108

m/s)的平方，即ΔE ＝Δmc 2

.①

(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 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931.5 MeV ，即ΔE ＝Δm 的数值×931.5 MeV②

注意：式①中Δm 的单位为kg ，ΔE 的单位是J ；式②中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV. 针对训练 1 氘核(2

1H)和氚核(3

1H)结合成氦核(4

2He)的核反应方程：2

1H ＋3

1H ―→4

2He ＋1

0n ＋17.6 MeV

(1)这个核反应称为________．

(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV 是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)． 答案 (1)聚变 (2)放出 减少 3×10

－29

解析 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE ＝Δmc 2

，可以求得Δm ＝ΔE c

2

≈3×10

－29

kg.

二、核反应类型的判断

【例3】 下列说法不正确的是( ) A.2

1H ＋3

1H ―→4

2He ＋1

0n 是聚变

B.235

92U ＋1

0n ―→140

54Xe ＋94

38Sr ＋21

0n 是裂变 C.226

88Ra ―→222

86Rn ＋4

2He 是α衰变 D.24

11Na ―→24

12Mg ＋ 0

－1e 是裂变 答案 D

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A 选项正确；B 选项的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B 选项正确；在C 选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C 选项是正确的；而D 选项应是β衰变，不正确．故答案为D. 借题发挥 主要核反应类型有：

(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．

(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．

(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子．