《核聚變》導(dǎo)學(xué)案

PAGE1/6核聚變導(dǎo)學(xué)案一、知識(shí)點(diǎn)掃描1、聚變及其條件問(wèn)題：什么叫輕核的聚變？問(wèn)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：21H+31H→42He+10n（21H的質(zhì)量是2.0136u，31H的質(zhì)量是3.0166u，42He的質(zhì)量是4.0026u，10n的質(zhì)量是1.0087u。）提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)噺奈⒂^和宏觀兩個(gè)角度說(shuō)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(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫(kù)侖斥力。宏觀上：要使原子核具有如此大的動(dòng)能，就要把它加熱到幾百萬(wàn)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(shí)間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。說(shuō)明：（1）熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)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(yáng)每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在“核燃燒”的過(guò)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(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)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(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！（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(zhēng)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(wèn)：氫彈爆炸原理是什么？2、可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)（1）聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)提問(wèn)：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?cè)旄Ｓ谌祟?。我?guó)在這方面的研究和實(shí)驗(yàn)也處于世界領(lǐng)先水平。請(qǐng)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(jiàn)的聚變反應(yīng)：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。在這兩個(gè)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(gè)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(gè)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?chǔ)量豐富。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(dòng)終止了。另外，氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒(méi)有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時(shí)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(guó)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(wú)限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)，這個(gè)裝置也被通稱為“人造太陽(yáng)”，能夠像太陽(yáng)一樣給人類提供無(wú)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(guó)的科學(xué)家就率先建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)核聚變“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置，模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量。二、例題精講：例1：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生聚變，其核反應(yīng)方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的質(zhì)量：mD=2.014102u、氚核的質(zhì)量：mT=3.016050u、氦核的質(zhì)量：mα=4.002603u、中子的質(zhì)量：mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19三、能力訓(xùn)練1．下列核反應(yīng)方程中，表示核聚變的過(guò)程是（）2．下列說(shuō)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(wú)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(shí)釋放的核能為（）A．m3c2B．(m1+m2)c2 C．(m3-m1-m2)c2 D．(m1+m2-m3)c24．熱核反應(yīng)是一種理想能源的原因是()A．就平均每一個(gè)核于來(lái)說(shuō)，熱核反應(yīng)比重核裂變時(shí)釋放的能量多B．對(duì)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(chǔ)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(guó)務(wù)院、中央軍委會(huì)在人民大會(huì)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?jī)蓮椀幕镜暮朔磻?yīng)方程式是()A．B．U+n→Sr+Xe+10nC．D．H+H→He+n6．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(lái)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．H+H→He+（）屬D．U+n→Sr+Xe+（）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(shuō)法中正確的是()A．裂變和聚變過(guò)程都有質(zhì)量虧損B．裂變和聚變過(guò)程質(zhì)量都有所增加C．裂變過(guò)程有質(zhì)量虧損，聚變過(guò)程質(zhì)量有所增加D．聚變過(guò)程有質(zhì)量虧損，裂變過(guò)程質(zhì)量有所增加8．2個(gè)氘核可聚變成一個(gè)氚核，放出4MeV的能量，寫(xiě)出核反應(yīng)