第5章 5.3聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng) 5．4核能利用與社會(huì)發(fā)展

第頁5.3聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng)5．4核能利用與社會(huì)發(fā)展學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.知道聚變和聚變反應(yīng)特點(diǎn)，知道聚變的條件．(重點(diǎn))2.會(huì)寫聚變方程并能計(jì)算聚變釋放的能量．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.了解受控?zé)岷朔磻?yīng)的裝置“托卡馬克”以及我國對受控?zé)岷朔磻?yīng)研究的成果.4.了解核能的優(yōu)越性，核安全性與核廢料處理的方法.聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng)eq\o([先填空])1．輕核聚變(1)定義使平均結(jié)合能小的輕核聚合成一個(gè)較重的原子核．又稱熱核反應(yīng)．(2)條件利用幾千萬開爾文以上的高溫，形成物質(zhì)的第四態(tài)—等離子態(tài)，原子核獲得足夠大的動(dòng)能，通過碰撞使一部分核接近到足以發(fā)生聚變的距離．(3)核反應(yīng)舉例21H＋31H→eq\o\al(4,2)He＋10n＋17.6MeV.(4)特點(diǎn)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變能釋放的能量更多．熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(5)普遍性熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽以及許多恒星內(nèi)部，都要不斷地進(jìn)行著聚變反應(yīng)．2．受控?zé)岷朔磻?yīng)(1)實(shí)驗(yàn)裝置受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置稱為“托卡馬克”，它是一種利用強(qiáng)磁場約束等離子體的環(huán)流器．(2)原理①中央螺線管通電后在環(huán)形真空室中感應(yīng)出強(qiáng)電流，加熱核燃料，使其成為等離子體．②中央螺線管與同軸環(huán)形線圈一起形成螺旋狀磁場，將等離子體約束在環(huán)狀真空室中．eq\o([再判斷])1．太陽中發(fā)生的是可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)．(×)2．輕核發(fā)生聚變反應(yīng)不需要條件．(×)3．輕核發(fā)生聚變反應(yīng)核子必須接近到核力發(fā)生作用的范圍．(√)eq\o([后思考])為什么制造氫彈必須要具有制造原子彈的能力？【提示】氫彈爆炸是熱核反應(yīng)，需要達(dá)到幾千萬開以上的高溫才能進(jìn)行，只有利用原子彈爆炸時(shí)的高溫高壓，才能使氫彈中的聚變材料達(dá)到熱核反應(yīng)的條件，故只有具備了制造原子彈能力的國家才能制造氫彈．eq\o([核心點(diǎn)擊])1．聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能，有一種辦法就是把它們加熱到幾千萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應(yīng)：從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)．3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富.1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它1．以下說法正確的是()A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬度以上高溫，所以聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)D．裂變反應(yīng)速度可以實(shí)現(xiàn)人工控制，輕核聚變反應(yīng)速度也可以人工控制【解析】聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核，二者無直接關(guān)系，故A錯(cuò)．聚變和裂變在能量流向上也無直接關(guān)系，故B錯(cuò)．核聚變反應(yīng)是熱核反應(yīng)，需數(shù)百萬度的高溫，但聚變反應(yīng)一旦開始所釋放的能量就遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此聚變反應(yīng)還是釋放能量的，故C正確，現(xiàn)在已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)速度的人工控制，但除氫彈外，還不能實(shí)現(xiàn)輕核聚變的人工控制，D錯(cuò)誤．【答案】C2．(多選)能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的是()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚變反應(yīng)B.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰變C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂變反應(yīng)D.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是α衰變【解析】eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是輕核聚變反應(yīng)，A正確，B錯(cuò)誤；eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n和eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n均為重核裂變反應(yīng)，C正確，D錯(cuò)誤．【答案】AC3．氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應(yīng)方程為：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋x，式中x是某種粒子．已知：eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H、eq\o\al(4,2)He和粒子x的質(zhì)量分別為2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝eq\f(931.5MeV,c2)，c是真空中的光速．由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應(yīng)釋放出的能量為________MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是eq\o\al(1,0)n(中子)．核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為Δm＝2.0141u＋3.0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u所以該反應(yīng)釋放出的能量為ΔE＝Δm·c2＝17.6MeV.【答案】eq\o\al(1,0)n(或中子)17.6對輕核聚變理解的兩個(gè)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為聚變就是裂變的逆反應(yīng)．產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質(zhì)沒有透徹理解，裂變時(shí)重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)．(2)正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉(zhuǎn)變的方程．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時(shí)容易混淆出錯(cuò)，要想正確判斷必須抓住它們的實(shí)質(zhì)：核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會(huì)放出中子；重核裂變時(shí)鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)或更多個(gè)中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子；人工轉(zhuǎn)變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產(chǎn)生新原子核并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應(yīng)，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．核能利用與社會(huì)發(fā)展eq\o([先填空])1．核能的優(yōu)越性(1)核燃料提供的能量巨大．(2)核燃料的儲(chǔ)量豐富．(3)核燃料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便．(4)清潔衛(wèi)生，對環(huán)境的污染?。?．核安全性為了防止放射性物質(zhì)的泄漏，核電站設(shè)置了4道安全屏障．3．核廢料處理(1)后處理技術(shù)．(2)瀝青固化或水泥固化貯存地下庫．(3)玻璃固化，埋藏深層廢料庫．eq\o([再判斷])1．作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲(chǔ)量大．(√)2．核電廢料難以處理，對環(huán)境的污染比火電大．(×)3．核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會(huì)使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞．(√)eq\o([后思考])核反應(yīng)堆中的防護(hù)層的構(gòu)造和作用是什么？【提示】核反應(yīng)堆中的防護(hù)層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1m～2m厚的鋼筋混凝土構(gòu)成，可以有效地防止射線對人體及其他生命的侵害．eq\o([核心點(diǎn)擊])1．核能利用核原料提供的能量巨大，1kg鈾釋放的全部能量大約相當(dāng)于2700t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的能量．地球上的常規(guī)能源一般都無法跟核能相比．除鈾外，釷也是一種裂變材料，它比鈾更豐富，如果能把釷利用起來，核電的發(fā)展前景將更為廣闊．熱核反應(yīng)所需的氘更是儲(chǔ)量豐富．核原料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便，如：一座100萬千瓦核電站一年所需原料鈾，只需6輛卡車就可全部運(yùn)到現(xiàn)場．核電站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成溫室效應(yīng)或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護(hù)．2．環(huán)境保護(hù)核電站為防止放射性物質(zhì)的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化鈾陶瓷體燃料芯塊滯留裂變產(chǎn)物，外面密封鋯合金包殼，第三道是壓力邊界，第四道是安全殼．這些措施大大提高了核能利用的安全性．3．廢料處理對核廢料先回收利用，剩下的廢料就很少了，將其中低放射性廢料進(jìn)行瀝青固化或水泥固化后，儲(chǔ)存在地下淺層廢料庫，對高放射性的廢料采用玻璃固化后，埋藏在深層廢料庫．加之實(shí)時(shí)監(jiān)測等措施都降低了對環(huán)境污染的可能性．4．核電站(1)原理原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是在人工控制下進(jìn)行．釋放的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再由蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，使核能為人類和平建設(shè)服務(wù)．(2)優(yōu)點(diǎn)①核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低，一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30t左右，而同樣功率的燃煤發(fā)電站每年要消耗250萬噸優(yōu)質(zhì)煤．②核電站對環(huán)境的污染要比燃煤發(fā)電小得多．4．(多選)為應(yīng)對能源危機(jī)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的比重，我國制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風(fēng)電和再生能源的政策，在《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運(yùn)行裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4000萬千瓦的水平，請根據(jù)所學(xué)物理知識，判斷下列說法中正確的是()A．核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大C．所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D．如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡單，對環(huán)境污染更小【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核裂變在核反應(yīng)堆中應(yīng)用的是比較清潔的能源，故A正確，B、C錯(cuò)；如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環(huán)境污染也更小，D正確．【答案】AD5．(多選)關(guān)于核能的利用，下列說法正確的是()A．核電站的反應(yīng)堆將釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為電