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(xué) 習(xí) 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.了解聚變反應(yīng)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?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展前景.(難點) 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) 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?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?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(yīng)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(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)是一個放能反應(yīng). 3.核聚變的特點 (1)在消耗相同質(zhì)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(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)進行下去. (3)普遍性:熱核反應(yīng)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(yīng)堆. 4.核聚變的應(yīng)用 (1)核武器——氫彈:一種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 重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核,放出核能 兩個輕核結(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)簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?,尤其用于核裂變的?35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(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,二者無直接關(guān)系,故A錯.聚變和裂變在能量流向上也無直接關(guān)系,故B錯.核聚變反應(yīng)是熱核反應(yīng),需數(shù)百萬度的高溫,但聚變反應(yīng)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(yīng)還是釋放能量的,故C、D正確,現(xiàn)在已經(jīng)能實現(xiàn)裂變反應(yīng)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(chǔ),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(yīng)方程,表述正確的是( ) 【導(dǎo)學(xué)號: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(yīng).產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質(zhì)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(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,因此判斷時容易混淆出錯,要想正確判斷必須抓住它們的實質(zhì):核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)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(zhì)量的核,并放出幾個中子;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或幾個粒子;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 [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)動汽輪機發(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 (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(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(nèi)部的熱核反應(yīng)的進行.(√) 2.磁壓縮裝置中的環(huán)形線圈通電后可以產(chǎn)生磁場,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式反應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(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(yīng)是在人工控制下進行.釋放的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,再由蒸汽輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能,使核能為人類和平建設(shè)服務(wù). (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(zhì)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(yīng)對能源危機和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),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(fēng)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?cè)萘窟_到4 000萬千瓦的水平,請根據(jù)所學(xué)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(guān)于核能的利用,下列說法正確的是( ) 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”促使鏈式反應(yīng),做成的原子彈設(shè)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(nèi)部重核裂變產(chǎn)生的核能 【解析】 核電站的能量轉(zhuǎn)化過程為核能到內(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,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(nèi)部輕核聚變反應(yīng)釋放的能量,E錯誤. 【答案】 ABD- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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