2022-2023年度 名師 《核聚變》導(dǎo)學(xué)案

PAGE8高二物理選修核聚變導(dǎo)學(xué)案一、知識點(diǎn)掃描1、聚變及其條件問題：什么叫輕核的聚變？

問題：為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？

計(jì)算氫的聚變反應(yīng)所釋放能量：21H31H→42He10n（21H的質(zhì)量是，31H的質(zhì)量是，42He的質(zhì)量是，10n的質(zhì)量是。）

提問：請同學(xué)們試從微觀和宏觀兩個角度說明核聚變發(fā)生的條件？

結(jié)論：微觀上：參與反應(yīng)的原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15m，要使原子核接近到這種程度，必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力。宏觀上：要使原子核具有如此大的動能，就要把它加熱到幾百萬攝氏度的高溫。聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行下去，在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。說明：（1）熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽每秒釋放的能量約為×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億~100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！（2）上世紀(jì)四十年代，人們利用核聚變反應(yīng)制成了用于戰(zhàn)爭的氫彈，氫彈是利用熱核反應(yīng)制造的一種在規(guī)模殺傷武器，在其中進(jìn)行的是不可控?zé)岷朔磻?yīng)，它的威力是原子彈的十幾倍。提問：氫彈爆炸原理是什么？

2、可控?zé)岷朔磻?yīng)（1）聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)提問：目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學(xué)家們正在努力研究和嘗試可控?zé)岷朔磻?yīng)，以使核聚變造福于人類。我國在這方面的研究和實(shí)驗(yàn)也處于世界領(lǐng)先水平。請同學(xué)們自學(xué)教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點(diǎn)可控?zé)岷朔磻?yīng)發(fā)展進(jìn)程：總結(jié)：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點(diǎn)之一，即輕核聚變產(chǎn)能效率高。常見的聚變反應(yīng)：21H21H→31He11H4MeV、21H31H→42He10n。在這兩個反應(yīng)中，前一反應(yīng)的材料是氘，后一反應(yīng)的材料是氘和氚，而氚又是前一反應(yīng)的產(chǎn)物，所以氘是實(shí)現(xiàn)這兩個反應(yīng)的原始材料，而氘是重水的組成部分，在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的。從這個意義上講，輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。總結(jié)：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點(diǎn)之二，即地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富。如1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油?？偨Y(jié)：聚變與裂變相比，優(yōu)點(diǎn)之三，是輕核聚變反應(yīng)更為安全、清潔。實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了。另外，氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，比裂就所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。（2）我國在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)展情況。EAST全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置以探索無限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)，這個裝置也被通稱為“人造太陽”，能夠像太陽一樣給人類提供無限清潔的能源。目前，由中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置大部件已安裝完畢，進(jìn)入抽真空降溫試驗(yàn)階段。我國的科學(xué)家就率先建成了世界上第一個全超導(dǎo)核聚變“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置，模擬太陽產(chǎn)生能量。

二、例題精講：例1：一個氘核和一個氚核發(fā)生聚變，其核反應(yīng)方程是21H31H→42He10n，其中氘核的質(zhì)量：mD=、氚核的質(zhì)量：mT=、氦核的質(zhì)量：mα=、中子的質(zhì)量：mn=、1u=×10-27kg，e=×10-19C，求出該核反應(yīng)所釋放出來的能量。三、能力訓(xùn)練1．下列核反應(yīng)方程中，表示核聚變的過程是：（）

2．下列說法中正確的是：A．聚變反應(yīng)從外界吸收能量；B．聚變反應(yīng)向外界放出能量；C．聚變反應(yīng)可以無條件進(jìn)行；D．聚變反應(yīng)必須使核之間距離接近10-15m3．氫核（H）、中子（n）、氘核（H）的質(zhì)量分別是m1、m2、m3那么由氫核和中子結(jié)合成氘核時釋放的核能為（）A．m3c2 B．m1m2c2 C．m3-m1-m2c2 D．m1m2-m34．熱核反應(yīng)是一種理想能源的原因是A．就平均每一個核于來說，熱核反應(yīng)比重核裂變時釋放的能量多B．對環(huán)境的放射性污染較裂變輕，且較容易處理C．熱核反應(yīng)的原料在地球上儲量豐富D．熱核反應(yīng)的速度容易控制5．1999年9月18日，中共中央、國務(wù)院、中央軍委會在人民大會堂隆重表彰在研制“兩彈一星‘中作出突出貢獻(xiàn)的科技專家，下列核反應(yīng)方程中屬研究兩彈的基本的核反應(yīng)方程式是A．B．Un→SrXe10nC．D．HH→Hen6．核反應(yīng)有以下幾種情況：一是衰變，二是人工轉(zhuǎn)變，三是裂變，四是聚變，核反應(yīng)可用方程來表示，叫核反應(yīng)方程．完成下列核反應(yīng)方程，并指明它是屬于何種核反應(yīng)：屬B．屬C．HH→He（）屬D．Un→SrXe（）屬7．重核的裂變和輕核的聚變是人類利用原子核能的兩種主要方法，下面關(guān)于它們的說法中正確的是A．裂變和聚變過程都有質(zhì)量虧損B．裂變和聚變過程質(zhì)量都有所增加C．裂變過程有質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量有所增加D．聚變過程有質(zhì)量虧損，裂變過程質(zhì)量有所增加8．2個氘核可聚變成一個氚核，放出4MeV的能量，寫