7　核聚变第一课时评课稿

第6节核聚变

一、热核反应

1．核聚变

轻原子核聚合成较重原子核的反应。

2．核聚变较裂变的优越性

(1)相同质量的燃料下，放出的能量更多。

(2)不产生放射性废料。

(3)燃料储量非常丰富。

3．热核反应

因为核聚变要在高达108_K的温度下才能发生，故核聚变反应也称热核反应。

4．热核反应的应用

目前主要用在核武器上，如氢弹。

二、可控核聚变反应

1．托卡马克

是一种环形磁约束受控热核反应装置，也叫环流器。

2．超导托卡马克

把超导技术应用在产生托卡马克强磁场的线圈上。

三、恒星演化中的核反应

1．恒星的形成

恒星主要是由遍布宇宙中的极其弥散的气态尘埃聚集形成的，且内部发生聚变反应。

2．恒星的演变

恒星内部随聚变反应的发生，核燃料减少经慢长时间最终将成为残骸。

(对应学生用书页码P47)

1.聚变

轻原子核聚合成较重原子核的反应叫聚变。

341例如：21H＋1H→2He＋0n＋17.60 MeV。

2．热核反应

对核聚变的理解

轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量，这种在很高温度下产生的聚变又叫热核反应。

3．聚变比裂变反应放出更多能量的原因

(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的2～3倍。如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量约3.5 MeV；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为1 MeV。

(2)同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg氦时放出的能量为ΔE1，则

1 000ΔE1＝×6.02×1023×17.6 MeV 4＝2.65×1033 eV。

假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV，则1 kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2，即

1 000ΔE2＝×6.02×1023×200 MeV≈5.12×1032 eV，

235ΔE1得：≈5.2。

ΔE2

1．下列说法中正确的是(

) A．聚变反应从外界吸收能量

B．聚变反应向外界放出能量

C．聚变反应可以无条件地进行

D．聚变反应必须使核之间的距离接近10－15 m 解析：选BD

聚变反应时有质量亏损，所以会向外界放出能量。聚变必须使核之间的距离接近10－15 m，才能发生聚变反应生成新核，所以是有条件的。

重核裂变与轻核聚变的对比

比较项目

放能原理

放能多少

核废料的

处理难度

原料的蕴藏量

可控性

重

核

裂

变

把重核分裂成两个或多个中等质量的核，并释放出核能

轻

核

聚

变

两个轻核结合成质量较大的核，并释放出核能

聚变反应平均每个核子释放的核能比裂变反应要大得多

比较困难

235储量较少，特别是 92U

比较容易

主要原料氘储量非常丰富

目前除氢弹以外，还不能进行人工控制

比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用重核裂变释放核能

2．热核反应是一种理想能源的原因是(

) A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多

B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理

C．热核反应的原料在地球上储量丰富

D．热核反应的速度容易控制

解析：选ABC

聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻。但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能。故正确选项为A、B、C。

(对应学生用书页码P48)

[例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．聚变必须将反应物加热至数百万摄氏度以上高温，显然是吸收能量

D．裂变与聚变均可释放巨大的能量

[解析]

A选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，其实不然，因为二者的反应物与生成物全然不同，裂变是重核分裂成中等质量的核，而聚变则是轻核聚合成为较重的核，无直接关联，并非互为逆反应。B选项，既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不相反。C选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万摄氏度高温，但聚变一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的说来，聚变反应还是释放能量，故正确答案为D。

[答案]

D

轻核聚变释放的能量

对轻核聚变的理解

[例2]

太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。(mp＝1.007 3 u，mα＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u) (1)写出这个核反应方程。

(2)这一核反应释放出多少能量？

4[解析]

(1)核反应方程是41→2He＋201H―1e。

(2)这一核反应的质量亏损是

Δm＝4mp－mα－2me＝0.026 6 u，

ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。

[答案]

(1)见解析

(2)24.78 MeV

写核聚变反应方程与其他核反应方程一样，仍需要遵守质量数守恒和电荷数守恒的原则，放出核能的计算仍要根据爱因斯坦质能方程求解。

(对应学生用书页码P48) 1．发生热核反应的办法有(

) A．用中子轰击

B．保持室温环境、增大压强

C．把物体加热到几百万摄氏度以上

D．用γ光子照射

解析：选C

要发生热核反应，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万摄氏度的高温。

2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(

) A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大

C．聚变反应中粒子的比结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加

解析：选B

在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误。

3．科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃343料，其参与的一种核聚变反应的方程式为3→212He＋2He―1H＋2He。关于2He聚变下列表述正确的是(

) A．聚变反应不会释放能量

B．聚变反应产生了新的原子核

C．聚变反应没有质量亏损

D．目前核电站都采用聚变反应发电

解析：选B

聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量，但目前核电站都采用铀核的裂变反应。

4．现有三个核反应：

0①24→2411Na―12Mg＋－1e

1921②235→141

92U＋0n―

56Ba＋36Kr＋30n 31③2→41H＋1H―2He＋0n

下列说法正确的是(

) A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变

B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变

C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变

D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变

解析：选C

①中的－0故发生的是β衰变，②是重核分裂成质量较小的核，1e是β粒子，

是裂变，③是典型的聚变，所以C正确。

5．下列关于聚变的说法中，正确的是(

) A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B．轻核聚变需几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着核裂变反应

解析：选ABC

轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都存在着热核反应，D错误。

6．钱学森被评为“2007感动中国十大人物”，他参与了我国第一颗原子弹和第一颗氢弹的研制工作。下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是(

) 4171A.14

7N＋2He→

8O＋1H 901361B. 92U＋10n→38Sr＋

54Xe＋100n 235C. 92U→ 90Th＋42He 238234341D.21H＋1H→2He＋0n 解析：选BD

“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D。

7．EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的，它成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。已知两个氘核聚变生成一个氦－3和一个中子的核反应方程是

122→31H―2He＋0n＋3.26 MeV 若有2 g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)(

) A．0.5×3.26 MeV

C．0.5NA×3.26 MeV

B．3.26 MeV D．NA×3.26 MeV 解析：选C

根据核反应方程可知，两个氘核聚变释放的能量为3.26 MeV，那么2 g氘核(即1 mol氘核)聚变释放的能量为0.5NA×3.26 MeV，所以C正确。

8．已知一个氢原子的质量为1.6736×10－27 kg，一个锂原子的质量为11.6505×10－27 kg，

一个氦原子的质量为6.6467×10－27 kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反7应方程为1→241H＋3Li―2He。根据以上信息，以下判断正确的是(

) A．题中所给的核反应属于α衰变

B．题中所给的核反应属于轻核聚变

C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能

D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能

解析：选C

核反应类型是人工核转变，A、B两项均错误，反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程ΔE＝Δmc2可以计算释放的核能，C选项正确。

9．(北京高考)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)(

) A．(m1＋m2－m3)c

C．(m1＋m2－m3)c2

B．(m1－m2－m3)c

D．(m1－m2－m3)c2

解析：选C

根据质量方程ΔE＝Δmc2知，核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c平方的乘积，C正确，A、B、D错误。

10．关于粒子，下列说法正确的是(

) A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．强子都是带电的粒子

C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

解析：选D

由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成不同的强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结2e构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－等，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，33故C错误，D正确。

11．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列，如图3-6-1所示。该反应所进行的聚34123变过程是21H＋1H→2He＋0n，反应原料氘(1H)富存于海水中，而氚(1H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(63Li)的人工核转变得到。

图3-6-1 3(1)请把下列用中子轰击锂核(63Li)产生一个氚核(1H)和一个新核的人工核转变方程填写3完整：______＋10n→______＋1H。

(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个63Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol1) －(3)一个氚核和一个氘核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10核聚变过程中的质量亏损。

143解析：(1)核反应方程为：63Li＋0n→2He＋1H。

－13 J，求该11(2)因为1 g氚为

mol，根据核反应方程，实现核转变的6Li也为

mol，所以有2.0×1023333个63Li实现了核转变。

(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，所以质量亏损为Δm＝3.1×10－29 kg。

423答案：(1)63Li

2He

(2)2.0×10个

(3)3.1×10

－29 kg