高中物理 第4章 核能 第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护教学案 鲁科版选修3-5-鲁科版高二选修3-5物理教学案.doc

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护1.了解聚变反应的特点及其条件．(重点)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．[学生用书P59]一、轻核聚变eq\a\vs4\al(1.)轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能．eq\a\vs4\al(2.)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．(1)太阳和其他恒星能够发光并辐射出巨大的能量是它们内部核聚变的结果．(2)氢核聚变的核反应方程为eq\o\al(21)H＋eq\o\al(31)H→eq\o\al(42)He＋eq\o\al(10)n．同时释放17.51MeV的能量平均每个核子释放3.5MeV的能量比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．eq\a\vs4\al(3.)聚变反应不仅能释放巨大的能量而且所用的燃料容易获得．氘可从海水中提取天然的氚不存在但可通过核反应eq\o\al(10)n＋eq\o\al(63)Li→eq\o\al(42)He＋eq\o\al(31)H得到．(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．()提示：(1)×(2)√二、可控热核聚变反应eq\a\vs4\al(1.)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．两个氘核发生聚变它们的距离必须接近10－15米以内核力才能起作用．eq\a\vs4\al(2.)轻核聚变温度到达108K在这样的高温下原子完全电离形成等离子态才能实现聚变．eq\a\vs4\al(3.)为了实现核聚变目前靠3种方法对等离子体进行约束一是靠引力二是用磁场三是靠惯性．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．1．为什么温度达到几百万摄氏度核聚变才能发生？提示：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围即10－15m要使原子核接近到这种程度必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．要使原子核具有如此大的动能就要把它加热到几百万摄氏度的高温．三、核能的利用与环境保护eq\a\vs4\al(1.)核电站(1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．(2)目前核电站的反应堆以eq\o\al(23592)U为燃料发电成本低于煤电．(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用．eq\a\vs4\al(2.)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．eq\a\vs4\al(3.)核能的优势与危害(1)核能作为一种新能源有很多优势．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．(2)核能的利用也存在一些危害．核燃料使用后存留一定量的具有高放射性的核废料．2．为什么只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹？提示：氢弹是热核反应需达到几百万摄氏度以上高温才能进行核反应只有用原子弹爆炸的高温高压才可以使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件故只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．对轻核聚变的理解[学生用书P60]eq\a\vs4\al(1.)聚变发生的条件：要使轻核聚变必须使参与反应的原子核接近到原子核大小的尺寸范围这就要求它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功必须把它们加热到几百万摄氏度的高温．在高温下原子处于电离态要让聚变持续发生首先应对等离子体进行约束．目前可控的热核聚变反应还处于探索阶段实验室内通过磁约束实现了对等离子体的约束．eq\a\vs4\al(2.)聚变比裂变反应放出更多能量的原因(1)平均每个核子释放能量较多是裂变反应的2～3倍．例如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6MeV平均每个核子放出能量约3.5MeV；而eq\o\al(23592)U裂变时平均每个核子放出能量为1MeV.(2)同样质量的情况下聚变比裂变反应放出更多的能量如氘和氚聚变为1kg氦时放出的能量为ΔE1则ΔE1＝eq\f(10004)×6.02×1023×17.6MeV≈2.65×1033eV假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200MeV则1kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2即ΔE2＝eq\f(1000235)×6.02×1023×200MeV≈5×1032eVeq\f(ΔE1ΔE2)＝5.3.轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚变反应放出更大的能量．由于发生聚变的温度极高聚变又叫热核反应