高中物理 第19章 第7節(jié) 核聚變同步輔導與檢測課件 新人教版選修35.ppt

第7節(jié)核聚變 原子核 中國核聚變中性束注入技術(shù)取得重大突破最大的受控核聚變實驗裝置 中國環(huán)流器新一號在已經(jīng)進行的物理實驗中 兆瓦級中性束注入成功地達到了11mw的離子束功率 使裝置內(nèi)等離子體溫度提高了1倍以上 據(jù)專家稱 這標志著我國核聚變研究中性束注入技術(shù)取得重大突破 同時表明我國的兆瓦級注入器已研制成功 受控核聚變是當代科技界為解決人類未來能源問題而開發(fā)的一項尖端科技攻關(guān)課題 其中大功率中性束注入在核聚變研究裝置的等離子體加熱 磁約束改善 無感電流驅(qū)動及加料方面均占有重要地位 是目前國際上該研究領(lǐng)域最有效的加熱手段 據(jù)悉 當前世界幾大尖端受控核聚變實驗裝置在以中性束加熱為主的條件下 已超過了實驗核聚變反應點火要求的溫度 據(jù)了解 我國約在20年前就開始了大功率中性束注入的研究 近年來作為國家高科技攻關(guān)項目 深入開展了兆瓦級中性束注入技術(shù)的研究 進一步探索了離子源放電等離子體的物理特征 離子源引出系統(tǒng)的束光學特性等 特別是在2000年的實驗中 采取了改善電源特性 監(jiān)測系統(tǒng)的動真空參數(shù) 計算機模擬放電系統(tǒng)宏觀參數(shù)等創(chuàng)新技術(shù) 使實驗取得突破 專家認為 我國兆瓦級中性束注入技術(shù)的突破 為我國正建設(shè)中的新一代核聚變研究裝置 中國環(huán)流器二號a提供了有效的等離子體加熱手段 將進一步加快我國受控核聚變研究躋身國際先進行列的步伐 1 核聚變 熱核反應 1 聚變 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應過程稱為聚變 聚變伴隨 大量的核能 典型聚變的核反應方程為 17 60mev 2 熱核反應 為了使輕核聚合 必須給它加熱到很高溫度 幾百萬度以上 使原子核獲得很大的 這樣才能使原子核克服正電荷間巨大的 進入 范圍內(nèi) 發(fā)生聚變 所以聚變反應也稱熱核反應 熱核反應一旦發(fā)生 就不再需要外界給它們能量 而靠 的能量把反應進行下去 熱核反應過程十分激烈 氫彈就是利用熱核反應制造的一種大規(guī)模殺傷性武器答案 1 釋放 2 動能庫侖力10 15m自身釋放 熱核反應在宇宙中是很普遍的 太陽內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部 溫度高達 以上 熱核反應在那里激烈地進行著 太陽每秒鐘輻射出來的能量約為3 8 1026j 就是熱核反應產(chǎn)生的 2 受控熱核反應 1 聚變反應和裂變反應相比之優(yōu)點 聚變反應產(chǎn)能 高 即相同質(zhì)量的核燃料 聚變比裂變反應放出的核能多 聚變反應燃料 即核反應所用的燃料 氘 在地球上儲量非常豐富 1l海水中大約有0 03g氘 如果用來進行熱核反應 放出的能量約和燃燒300l汽油相當 答案 1 2 107k2 2 1 效率 豐富 核廢料 核反應產(chǎn)生的放射性廢料較少 處理起來比較簡單 而裂變時產(chǎn)生的放射性物質(zhì) 處理起來比較困難 2 可控熱核反應 控制熱核反應的難點是 地球上沒有任何容器能經(jīng)受如此高的溫度 所以目前可控熱核反應還處于探索 實驗階段 目前科學家采用兩種方法 約束 聚變材料 磁約束和 中國環(huán)流器一號 和 中國環(huán)流器新一號 是我國研究可控熱核反應的實驗裝置 答案 1 易處理 2 慣性約束 一 核聚變1 聚變 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應叫聚變 例如 2 熱核反應 輕核必須在很高的溫度下相遇才能發(fā)生聚合放出更大的能量 這種在很高溫度下產(chǎn)生的聚變又叫熱核反應 注 使輕核反生聚變 必須使它們的距離十分接近 達到10 15m的近距離 由于原子核都是帶正電的 要使它們接近到這種程度 必須克服巨大的庫侖斥力 這就要使原子核具有很大的動能 用什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能來產(chǎn)生聚變呢 有一種辦法就是給它們加以很高的溫度 當物體達到幾百萬攝氏度的高溫時 劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能 可以克服相互間的庫侖斥力 在碰撞時發(fā)生聚變 因此 聚變反應又叫熱核反應 3 輕核聚變和重核裂變的對比 見下表 雙選 北京奧運會的相關(guān)場館建設(shè)大量采用對環(huán)境有益的新技術(shù) 如奧運會場館周圍80 的路燈利用了太陽能發(fā)電技術(shù) 奧運會90 的洗浴熱水采用了全玻真空太陽能集熱技術(shù) 太陽能的產(chǎn)生是太陽內(nèi)部高溫高壓條件下的核反應形成的 下列說法正確的是 a 該核反應的方程可能是b 該核反應的方程可能是c 反應之所以釋放出能量 是因為h核子的平均質(zhì)量較he的大d 反應之所以釋放出能量 是因為h核子的平均質(zhì)量較he的小解析 太陽能是由太陽內(nèi)部核聚變反應產(chǎn)生的 反應中釋放出能量是因為h核子的平均質(zhì)量較he的大 故a c正確 答案 ac 變式遷移 1 質(zhì)子 中子和氘核的質(zhì)量分別為m1 m2和m3 質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時 發(fā)出一個 光子 已知普朗克常量h 真空中的光速為c 則 光子的頻率為 解析 根據(jù)題意 可知反應中釋放的能量以射線的形式出現(xiàn) 則射線的能量就是反應前后的質(zhì)量虧損所對應的能量 而射線的能量又與射線的頻率有關(guān) 反應前后的質(zhì)量虧損為 m m1 m2 m3釋放的能量為 e m1 m2 m3 c2光子的能量為 h m1 m2 m3 c2所以光子的頻率就是 m1 m2 m3 c2 h 答案 m1 m2 m3 c2 h 二 受控熱核反應1 熱核反應的優(yōu)點 與裂變相比 1 產(chǎn)生的能量大 2 反應后生成的放射性物質(zhì)易處理 3 熱核反應的燃料在地球上儲量豐富 2 實現(xiàn)核聚變的難點地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度 為解決這個難題 科學家設(shè)想了兩種方案 即磁約束和慣性約束 使兩個氘核發(fā)生聚變生成一個氦核 放出多少核能 解析 聚變的核反應式為 根據(jù)不同的已知條件 通?？梢杂袃煞N計算方法 法一 先查出氘核和氦核的質(zhì)量 md 2 014102u mhe 4 002603u然后根據(jù)核反應前后的質(zhì)量虧損 用質(zhì)能方程算出釋放的核能核反應前后的質(zhì)量虧損為 m 2md mhe 2 2 014102u 4 002603u 0 025601u釋放出的核能為 e 0 025601 931 5mev 23 8473315mev 法二 先查出氘核和氦核的比結(jié)合能ed 1 11mev ehe 7 07mev然后采用 先拆散 后結(jié)合 的方法 即先把2個氘核分解成4個自由核子 2個中子和2個質(zhì)子 再使這4個自由核子結(jié)合成氦核 比較前后兩個過程中釋放的結(jié)合能 同樣可得出結(jié)果 由于氘核的平均結(jié)合能為ed 1 11mev 所以將2個氘核分解成4個自由核子需提供的能量為 e1 4 1 11mev 4 44mev氦核的平均結(jié)合能為ehe 7 07mev 所以將4個自由核子結(jié)合成氦核時釋放出的能量為 e2 4 7 07mev 28 28mev則兩個氘核發(fā)生聚變生成一個氦核時 放出的核能為 e e2 e1 28 28mev 4 44mev 23 84mev 答案 23 84mev 變式遷移 2 已知氘核 質(zhì)量為2 0136u 中子 質(zhì)量為1 0087u 氦核 質(zhì)量為3 0150u 1u相當于931 5mev 1 寫出兩個氘核聚變成的核反應方程 2 計算上述核反應中釋放的核能 保留三位有效數(shù)字 3 若兩個氘核以相同的動能0 35mev做對心碰撞即可發(fā)生上述反應 且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機械能 則反應后生成的氦核 和中子 的速度大小之比是多少 解析 1 根據(jù)題中條件 可知核反應方程為 2 質(zhì)量虧損 m 2mh mhe mn 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u由于1u的質(zhì)量與931 5mev的能量相對應 所以核反應中釋放的核能為 e 0 0035 931 5mev 3 26mev 3 由動量守恒定律有 0 mhevhe mnvn得 vhe vn 1 3答案 1 2 3 26mev 3 1 3 基礎(chǔ)鞏固 1 雙選 下列說法中正確的是 a 聚變反應中有質(zhì)量虧損 所以必向外界放出能量b 使核發(fā)生聚變反應必須使核之間的距離接近到1 10 15m 也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)c 要使核發(fā)生聚變反應 必須克服核力做功d 熱核反應只有在人工控制下才能發(fā)生解析 由質(zhì)能方程可知a正確 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核 必須使輕核間的距離達到能發(fā)生核力的范圍 才能使它們緊密地結(jié)合起來 b正確 c錯