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

第3讲核聚变
第4讲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eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H―→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n.
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10－15m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：
eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H―→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
eq\o(\s\up14(反应方式),\s\do14(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容易得多例1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mH＝1.0073u，中子质量mn＝1.0087u，氚核质量mT＝3.0180u．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eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n―→eq\o\al(3,1)H.
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，
释放的核能
ΔE＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.
(3)平均每个核子放出的能量为eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.
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＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①
(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV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931.5MeV，即ΔE＝Δm的数值×931.5MeV②
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(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反应方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H―→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.