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(hù)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(hù) 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件，并能計(jì)算核聚變釋放的能量．(重點(diǎn)) 2.了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展前景．(難點(diǎn)) 3.了解核電站的構(gòu)造和基本原理，了解核武器的種類．(重點(diǎn)) 4.了解核能利用的優(yōu)勢(shì)、危害及其防護(hù)措施．(重點(diǎn)) 輕核聚變與可控?zé)岷司圩兎磻?yīng) [先填空] 1．輕核聚變 采用輕核聚合成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能．這樣的核反應(yīng)稱為輕核聚變． 2．太陽(yáng)內(nèi)部核聚變的反應(yīng)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(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài) 高溫等離子體的密度及維持時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)才能實(shí)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(yáng)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．(√) [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)到幾百萬(wàn)攝氏度的高溫才能進(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(guó)家才能制造氫彈． [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10－15 m，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百萬(wàn)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(yáng)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(jiǎn)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.1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來(lái)進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300 L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(shuō)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(wàn)度以上高溫，所以聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng) D．裂變與聚變均可釋放巨大能量 E．裂變反應(yīng)速度可以實(shí)現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變反應(yīng)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(zhì)量的核，二者無(wú)直接關(guān)系，故A錯(cuò)．聚變和裂變?cè)谀芰苛飨蛏弦矡o(wú)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(wàn)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、D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，E正確． 【答案】　CDE 2．能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問(wèn)題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18850054】 A.H＋H―→He＋n是核聚變反應(yīng) B.H＋H―→He＋n是β衰變 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應(yīng) D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰變 E.n＋Li―→He＋H是原子核的人工轉(zhuǎn)變反應(yīng) 【解析】　H＋H―→He＋n是輕核聚變反應(yīng)，A正確，B錯(cuò)誤；U＋n―→Ba＋Kr＋3n和U＋n―→Xe＋Sr＋2n均為重核裂變反應(yīng)，C正確，D錯(cuò)誤；n＋Li―→He＋H是用人工方法獲得輕核聚變?nèi)剂系娜斯まD(zhuǎn)變反應(yīng)，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(yīng)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(zhì)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(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n(中子)．核反應(yīng)中的質(zhì)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(yīng)釋放出的能量為 ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV. 【答案】　n(或中子)　17.6 對(duì)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(duì)聚變和裂變的本質(zhì)沒有理解透，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(wú)直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)． (2)不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉(zhuǎn)變的方程．這是由對(duì)以上四種核反應(yīng)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(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． 核能的利用及環(huán)境保護(hù) [先填空] 1．核電站：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠． 工作流程：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能． 燃料：反應(yīng)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(shì) (1)核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低． (2)核電站對(duì)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(zhì)泄漏，產(chǎn)生核污染． (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． [再判斷] 1．太陽(yáng)自身強(qiáng)大的引力把高溫等離子體約束在一起，維持了其內(nèi)部的熱核反應(yīng)的進(jìn)行．(√) 2．磁壓縮裝置中的環(huán)形線圈通電后可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，將等離子體約束在環(huán)形真空室內(nèi)．(√) 3．目前，可控?zé)岷司圩円呀?jīng)被廣泛應(yīng)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?zhǔn)椒磻?yīng)裝置． (2)氫彈是一種靠慣性約束、不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置． [核心點(diǎn)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(dāng)于2 700 t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(wú)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(lái)，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(wàn)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(chǎng)． 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(duì)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(kù)，對(duì)高放射性的廢料采用玻璃固化后，埋藏在深層廢料庫(kù)．加之實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等措施都降低了對(duì)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(wàn)千瓦級(jí)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(wàn)噸優(yōu)質(zhì)煤． ②核電站對(duì)環(huán)境的污染要比燃煤發(fā)電小得多． 4．為應(yīng)對(duì)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(guó)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(zhǎng)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4 000萬(wàn)千瓦的水平，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)，判斷下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小 B．核能發(fā)電對(duì)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(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡(jiǎn)單，對(duì)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(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(lái)比鈾核裂變廢料更容易，對(duì)環(huán)境污染也更小，E正確． 【答案】　ACE 5．關(guān)于核能的利用，下列說(shuō)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)化為電能 B．采用“內(nèi)爆法”促使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，做成的原子彈設(shè)計(jì)難度大，但材料利用率高 C．核電站對(duì)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(yáng)發(fā)光主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部重核裂變產(chǎn)生的核能 【解析】　核電站的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程為核能到內(nèi)能再到電能，A正確．“內(nèi)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(yīng)或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護(hù)，C錯(cuò)誤．放射性對(duì)人體和環(huán)境都有危害，D正確，太陽(yáng)發(fā)光主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部輕核聚變反應(yīng)釋放的能量，E錯(cuò)誤． 【答案】　ABD