高中物理 第4章 波與粒子 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護教師用書 魯科版選修3-5

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第3節(jié)　核聚變 第4節(jié)　核能的利用與環(huán)境保護 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解聚變反應的特點及其條件，并能計算核聚變釋放的能量．(重點) 2.了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展前景．(難點) 3.了解核電站的構造和基本原理，了解核武器的種類．(重點) 4.了解核能利用的優(yōu)勢、危害及其防護措施．(重點) 輕核聚變與可控熱核聚變反應 [先填空] 1．輕核聚變 采用輕核聚合成較重核引起結合能變化的方式可獲得核能．這樣的核反應稱為輕核聚變． 2．太陽內部核聚變的反應方程 H＋H→He＋n. 3．核子聚變的條件 要使核子發(fā)生聚變，必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍． 4．物質第四態(tài)——等離子態(tài) 高溫等離子體的密度及維持時間達到一定值時才能實現(xiàn)聚變． 5．約束等離子體的三種方式 引力約束、磁約束、慣性約束． [再判斷] 1．太陽中發(fā)生的是可控熱核聚變反應．() 2．輕核發(fā)生聚變反應不需要條件．() 3．輕核發(fā)生聚變反應核子必須接近到核力發(fā)生作用的范圍．(√) [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，需要達到幾百萬攝氏度的高溫才能進行，只有利用原子彈爆炸時的高溫高壓，才能使氫彈中的聚變材料達到熱核反應的條件，故只有具備了制造原子彈能力的國家才能制造氫彈． [核心點擊] 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10－15 m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能，有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫． 2．輕核聚變是放能反應：從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應． 3．核聚變的特點 (1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量． (2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去． (3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆． 4．核聚變的應用 (1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置．它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸． (2)可控熱核反應：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 重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能 兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能 放能多少 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍 核廢料處理難度　　 聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，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，氘在地球上的儲量非常豐富.1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當 可控性 速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應釋放核能 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 B．如果裂變釋放能量，則聚變反應必定吸收能量 C．聚變須將反應物加熱至數(shù)百萬度以上高溫，所以聚變反應又叫熱核反應 D．裂變與聚變均可釋放巨大能量 E．裂變反應速度可以實現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變反應速度 【解析】　聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質量的核，二者無直接關系，故A錯．聚變和裂變在能量流向上也無直接關系，故B錯．核聚變反應是熱核反應，需數(shù)百萬度的高溫，但聚變反應一旦開始所釋放的能量就遠大于所吸收的能量，因此聚變反應還是釋放能量的，故C、D正確，現(xiàn)在已經能實現(xiàn)裂變反應速度的人工控制，但除氫彈外，還不能實現(xiàn)輕核聚變的人工控制，E正確． 【答案】　CDE 2．能源是社會發(fā)展的基礎，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方程，表述正確的是(　　) 【導學號：18850054】 A.H＋H―→He＋n是核聚變反應 B.H＋H―→He＋n是β衰變 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應 D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰變 E.n＋Li―→He＋H是原子核的人工轉變反應 【解析】　H＋H―→He＋n是輕核聚變反應，A正確，B錯誤；U＋n―→Ba＋Kr＋3n和U＋n―→Xe＋Sr＋2n均為重核裂變反應，C正確，D錯誤；n＋Li―→He＋H是用人工方法獲得輕核聚變燃料的人工轉變反應，E正確． 【答案】　ACE 3．氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應方程為：H＋H―→He＋x，式中x是某種粒子．已知：H、H、He和粒子x的質量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝，c是真空中的光速．由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應釋放出的能量為________MeV(結果保留3位有效數(shù)字)． 【解析】　根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是n(中子)．核反應中的質量虧損為Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u 所以該反應釋放出的能量為 ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV. 【答案】　n(或中子)　17.6 對輕核聚變理解的兩個誤區(qū) (1)誤認為聚變就是裂變的逆反應．產生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質沒有理解透，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關聯(lián)，并非互為逆反應． (2)不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉變的方程．這是由對以上四種核反應方程的理解不到位造成的．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的實質：核聚變是輕核結合成質量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€或更多個中等質量的核，并放出幾個中子；人工轉變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產生新原子核并放出一個或幾個粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應，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． 核能的利用及環(huán)境保護 [先填空] 1．核電站：將反應堆釋放的核能轉化為電能的發(fā)電廠． 工作流程：將反應堆釋放的核能轉化為蒸汽的內能，再利用蒸汽驅動汽輪機發(fā)電轉化為電能． 燃料：反應堆以U為燃料． 2．核武器：原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器． 3．核能的優(yōu)勢 (1)核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低． (2)核電站對環(huán)境污染比燃煤發(fā)電小得多． 4．核能利用存在的危害 (1)核廢料的高輻射性． (2)放射性物質泄漏，產生核污染． (3)核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會使生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞． [再判斷] 1．太陽自身強大的引力把高溫等離子體約束在一起，維持了其內部的熱核反應的進行．(√) 2．磁壓縮裝置中的環(huán)形線圈通電后可以產生磁場，將等離子體約束在環(huán)形真空室內．(√) 3．目前，可控熱核聚變已經被廣泛應用于核電站發(fā)電．() [后思考] 原子彈和氫彈的裝置有何不同？ 【提示】　(1)原子彈是一種沒有減速劑、不加控制的爆炸性鏈式反應裝置． (2)氫彈是一種靠慣性約束、不需人工控制而實現(xiàn)聚變的反應裝置． [核心點擊] 1．核能利用 核原料提供的能量巨大，1 kg鈾釋放的全部能量大約相當于2 700 t標準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．熱核反應所需的氘更是儲量豐富．核原料的運輸和儲存方便，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或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護． 2．環(huán)境保護 核電站為防止放射性物質的泄漏，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行瀝青固化或水泥固化后，儲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．加之實時監(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 原子核的鏈式反應是在人工控制下進行．釋放的核能轉化為內能，再由蒸汽輪機帶動發(fā)電機轉化為電能，使核能為人類和平建設服務． (2)優(yōu)點 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30 t左右，而同樣功率的燃煤發(fā)電站每年要消耗250萬噸優(yōu)質煤． ②核電站對環(huán)境的污染要比燃煤發(fā)電小得多． 4．為應對能源危機和優(yōu)化能源結構，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年核電運行裝機總容量達到4 000萬千瓦的水平，請根據(jù)所學物理知識，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．所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能 D．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 E．如果核電站能實現(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，且核能是比較清潔的能源，故A、C正確，B、D錯，如果核電站能實現(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，E正確． 【答案】　ACE 5．關于核能的利用，下列說法正確的是(　　) A．核電站的反應堆將釋放的核能轉化為蒸汽的內能，再轉化為電能 B．采用“內爆法”促使鏈式反應，做成的原子彈設計難度大，但材料利用率高 C．核電站對環(huán)境的污染比燃煤發(fā)電大 D．核燃料的危害主要是其具有放射性 E．太陽發(fā)光主要來自太陽內部重核裂變產生的核能 【解析】　核電站的能量轉化過程為核能到內能再到電能，A正確．“內爆法”難度大，但材料利用率高，B正確．核電站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成溫室效應或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護，C錯誤．放射性對人體和環(huán)境都有危害，D正確，太陽發(fā)光主要來自太陽內部輕核聚變反應釋放的能量，E錯誤． 【答案】　ABD