2022年高中物理第章波与粒子第节核聚变第节核能的利用与环境保护教师用书鲁科版选修- .pdf

1 第 3 节核聚变第 4 节核能的利用与环境保护学 习 目 标知 识 脉 络1. 了解聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量( 重点) 2. 了解可控热核反应及其研究和发展前景 ( 难点 ) 3. 了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类 ( 重点 ) 4. 了解核能利用的优势、危害及其防护措施 ( 重点 ) 轻核聚变与可控热核聚变反应 先填空 1轻核聚变采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能这样的核反应称为轻核聚变2太阳内部核聚变的反应方程21H31H42He10n. 3核子聚变的条件要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围4物质第四态等离子态高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变5约束等离子体的三种方式引力约束、磁约束、惯性约束 再判断 1太阳中发生的是可控热核聚变反应( )2轻核发生聚变反应不需要条件( )3轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围( ) 后思考 为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2 【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹 核心点击 1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015m ，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能，有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温2轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应3核聚变的特点(1) 在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量(2) 热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去(3) 普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆4核聚变的应用(1) 核武器氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸(2) 可控热核反应：目前处于探索阶段5重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大34 倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235 在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富 .1 L海水中大约有0.03 g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 3 1以下说法正确的是( ) A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应D裂变与聚变均可释放巨大能量E裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变反应速度【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故 A错聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温， 但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C、D 正确，现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，E正确【答案】CDE 2能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是( ) 【导学号： 18850054】A.31H21H42He 10n 是核聚变反应B.31H21H42He 10n 是 衰变C.235 92U10n144 56Ba8936Kr310n 是核裂变反应D.235 92U10n140 54Xe9438Sr210n 是 衰变E.10n63Li 42He31H是原子核的人工转变反应【解析】31H21H42He 10n 是轻核聚变反应，A 正确， B 错误；235 92U10n144 56Ba8936Kr310n 和235 92U10n140 54Xe9438Sr210n 均为重核裂变反应，C正确， D错误；10n63Li 42He31H是用人工方法获得轻核聚变燃料的人工转变反应，E正确【答案】ACE 3氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H31H42Hex，式中x是某种粒子已知：21H、31H、42He和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u 和 1.008 7 u；1 u 931.5 MeVc2，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子x是_，该反应释放出的能量为_MeV(结果保留3 位有效数字 ) 【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是10n( 中子 ) 核反应中的质量亏损为m2.014 1 u 3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u 所以该反应释放出的能量为Emc217.6 MeV. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 4 【答案】10n( 或中子 ) 17.6 对轻核聚变理解的两个误区(1) 误认为聚变就是裂变的逆反应产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透， 裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应(2) 不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程这是由对以上四种核反应方程的理解不到位造成的这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子； 重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用 粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出 粒子或 粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为 衰变和 衰变两种核能的利用及环境保护 先填空 1核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂工作流程： 将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能燃料：反应堆以235 92U为燃料2核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器3核能的优势(1) 核能发电比燃煤发电的成本低(2) 核电站对环境污染比燃煤发电小得多4核能利用存在的危害(1) 核废料的高辐射性(2) 放射性物质泄漏，产生核污染(3) 核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏 再判断 1太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应的进行( )2磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场，将等离子体约束在环形真空室名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 5 内( )3目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电( ) 后思考 原子弹和氢弹的装置有何不同？【提示】(1) 原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置(2) 氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置 核心点击 1核能利用核原料提供的能量巨大，1 kg 铀释放的全部能量大约相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量地球上的常规能源一般都无法跟核能相比除铀外， 钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富， 如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔热核反应所需的氘更是储量丰富核原料的运输和储存方便，如：一座100 万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护2环境保护核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有 4 道安全屏障： 二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物， 外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳这些措施大大提高了核能利用的安全性3废料处理对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库 加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性4核电站(1) 原理原子核的链式反应是在人工控制下进行释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务(2) 优点核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250 万吨优质煤核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 6 4为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在核电中长期发展规划中要求2020 年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平， 请根据所学物理知识， 判断下列说法中正确的是( ) A核能发电对环境的污染比火力发电要小B核能发电对环境的污染比火力发电要大C所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能E如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、C正确， B、D 错，如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，E正确【答案】ACE 5关于核能的利用，下列说法正确的是( ) A核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能B采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高C核电站对环境的污染比燃煤发电大D核燃料的危害主要是其具有放射性E太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护，C错误放射性对人体和环境都有危害，D正确，太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，E错误【答案】ABD 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -