2019-2020学年高中物理 第4章 核能 第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护课件 鲁科

第4章核能第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护第4章核能1.了解聚变反应的特点及其条件．(重点)2.了解可控热核反应及其研究和发展．3．了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类．4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．一、轻核聚变1.轻核的平均结合能_______中等质量的核的平均结合能．2.采用轻核__________成较重核引起结合能变化的方式可获得__________．这样的核反应称为轻核聚变．(1)太阳和其他恒星能够发光并辐射出巨大的能量，是它们内部____________的结果．(2)氢核聚变的核反应方程为21H＋31H→42He＋_______．同时释放17.51MeV的能量，平均每个核子释放3.5MeV的能量，比裂变中平均每个核子释放的能量____________．小于聚合核能核聚变10n大得多3.聚变反应不仅能释放___________的能量，而且所用的燃料容易___________．氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应10n＋63Li→42He＋____________得到．巨大获得31H(1)核聚变时吸收能量．()(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．()×√二、可控热核聚变反应1.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．两个氘核发生聚变，它们的距离必须接近_________米以内，核力才能起作用．2.轻核聚变温度到达_________K，在这样的高温下，原子完全电离形成____________，才能实现聚变．3.为了实现核聚变，目前靠3种方法对等离子体进行约束，一是靠____________，二是用____________，三是靠____________．____________是目前性能最好的一种磁约束装置．10－15108等离子态引力磁场惯性环流器1．为什么温度达到几百万摄氏度核聚变才能发生？提示：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10－15m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温．三、核能的利用与环境保护1.核电站(1)核电站就是将反应堆释放的__________转化为__________的发电厂．(2)目前核电站的反应堆以____________为燃料，发电成本低于煤电．(3)采用________________可以使资源得到充分利用．核能电能23592U增殖反应堆2.核武器(1)原子弹是一种没有____________、____________的爆炸性____________装置．(2)氢弹是一种靠____________、不需____________而实现聚变的反应装置．3.核能的优势与危害(1)核能作为一种新能源，有很多优势．①核能发电比燃煤发电的____________．②核电站对环境污染比燃煤发电____________．(2)核能的利用也存在一些危害．核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料．减速剂不加控制链式反应惯性约束人工控制成本低小得多2．为什么只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹？提示：氢弹是热核反应，需达到几百万摄氏度以上高温才能进行核反应，只有用原子弹爆炸的高温高压，才可以使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．对轻核聚变的理解1.聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使参与反应的原子核接近到原子核大小的尺寸范围，这就要求它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，必须把它们加热到几百万摄氏度的高温．在高温下原子处于电离态，要让聚变持续发生，首先应对等离子体进行约束．目前，可控的热核聚变反应还处于探索阶段，实验室内通过磁约束实现了对等离子体的约束．2.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．例如，一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6MeV，平均每个核子放出能量约3.5MeV；而23592U裂变时，平均每个核子放出能量为1MeV.(2)同样质量的情况下，聚变比裂变反应放出更多的能量，如氘和氚聚变为1kg氦时放出的能量为ΔE1，则ΔE1＝10004×6.02×1023×17.6MeV≈2.65×1033eV假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200MeV，则1kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2，即ΔE2＝1000235×6.02×1023×200MeV≈5×1032eVΔE1ΔE2＝5.3.轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚变反应放出更大的能量．由于发生聚变的温度极高，聚变又叫热核反应．(多选)下列说法正确的是()A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D．热核反应只有在人工控制下才能发生[解析]由质能方程可知，选项A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，选项D错误．[答案]AB核能的利用与环境保护1.核原料提供的能量巨大，1kg铀全部释放的能量大约相当于2700t标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．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.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．对核废料进行回收利用，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．关于核电站以下说法正确的是()A．核电站中的核反应是无法控制的B．目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核聚变C．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用D．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用[思路点拨]根据核电站的原理解答．[解析]目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，其反应是可以通过控制棒控制反应速度的，A、B均错；采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量，C对；核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D错．[答案]C有关核聚变能量的计算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量来源．(1)写出这个核反应方程．(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(mp＝1.0073u，mHe＝4.0026u，me＝0.00055u)[思路点拨]核反应中由于质量数、电荷数保持守恒，由此可写出核反应方程；根据爱因斯坦的质能关系方程，由质量亏损(或能量)可计算释放的能量(或质量亏损)．[解析](1)核反应方程是411H―→42He＋02X，而02X只能是2个正电子．因此核反应方程应为411H―→42He＋201e.(2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u反应后m2＝mHe＋2me＝4.0026u＋2×0.00055u＝4.0037uΔm＝m1－m2＝0.0255u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.0255×931.5MeV≈23.75MeV.(3)由质能方程，ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量Δm＝ΔEc2＝3.8×1026（3×108）2kg≈4.2×109kg.[答案](1)411H―→42He＋201e(2)23.75MeV(3)4.2×109kg对于轻核聚变时核能的计算与前面重核裂变时核能的计算方法完全一样，利用爱因斯坦质能方程进行计算即可．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：21H＋21H→32He＋10n.已知21H的质量为2.0136u,32He的质量为3.0150u，10n的质量为1.0087u，1u＝931MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV解析：选B.氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.0136u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035×931MeV/c2×c2≈3.3MeV，选项B正确．本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放