4. 核裂变与核聚变（同步讲义）物理人教版选择性必修第三册

4.核裂变与核聚变 【知识梳理】 1 一、 原核裂变 1 二、 反应堆与核电站 1 三、 核聚变 2 【重难探究】 2 探究1 　探究重核裂变反应 2 探究2 探究核聚变反应 4 【课堂自测·基础练】 8 【素养进阶·提升练】 16 【知识梳理】 知识点1 核裂变 1．核裂变 铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核的裂变 (1)常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n (2)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。 3．链式反应 (1)定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。 (2)临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 (3)条件 ①有足够数量的慢中子轰击。 ②铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。 知识点2 反应堆与核电站 1．核电站 利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分： 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2．工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 知识点3 核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2．核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。 ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。 【重难探究】 探究1 　探究重核裂变反应 【探究导入】。如图所示，1964年10月16号中国第一颗原子弹成功在罗布泊引爆，这颗原子弹的爆炸让整个世界都为之震惊。 问题 (1) 这颗原子弹的爆炸的原理是什么？ 提示：这颗原子弹的爆炸的原理是裂变核反应，较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核，同时释放能量。 （2）铀核的裂变是一种天然放射现象吗？ 提示：不是．铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核反应． （3）铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？ 提示：不是．铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的． （4）重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？ 提示：重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒． 【探究归纳】1．铀核的裂变和裂变方程 (1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状． (2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能． (3)常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．链式反应的条件 (1)有慢中子轰击． (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量． 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足． 3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温． 【典例赏析】 [例1]　年月日秦山核电站迎来了安全发电周年，核电站累计发电约，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是(    ) A. 秦山核电站利用的是核聚变释放的能量 B. 秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为 C. 核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 D. 反应堆中存在的核反应 【针对训练】 1．2023年12月6日，山东荣成华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程在稳定电功率水平上正式投产运行，标志着我国在高温气冷堆核电技术领域已处于全球领先地位。在其核反应中有一个反应是吸收一个中子引发裂变反应，生成物有、和中子，其中仍有放射性，半衰期为T。已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则下列说法正确的是（　　） A．该核反应方程式为 B．一个裂变时释放的能量为 C．一个裂变时释放的能量为 D．10个核经过一个半衰期后有5个核会衰变 2.如图所示，某次铀核裂变反应式为，反应产生的中子可能击中其它铀原子核从而引发链式反应，用、、分别表示、、核的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（    ） A．链式反应若能发生，铀原料的体积必须大于临界体积 B．裂变产物的比结合能小于的比结合能 C．该核反应过程中质量有所增加 D．该核反应中放出的核能为 探究2 探究核聚变反应 【探究导入】 氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多， 1967年，我国第一颗氢弹爆炸试验成功。值得一提的是，从原子弹到氢弹，我国仅用了两年零八个月。如图所示是爆炸时的图片。 问题 （1）怎样才能引发氢弹爆炸？ 提示：首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发氢弹爆炸． （2）核聚变为什么需要几百万度的高温？ 提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能． （3）为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 提示：因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大． （4）受控核聚变中磁约束的原理是什么？ 提示：原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作 半衰期是放射性元素的大量原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对． 【探究归纳】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10－15 m，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．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达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3～4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 【例2】氘核可通过系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知海水中含有的氘核约为个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为的标准煤燃绕时释放的热量相等；已如标准煤燃烧释放的热量约为，，则约为(    ) A. B. C. D. 【针对训练】 3．年月日，百亿级中核核能产业园签约落地成都，助力打造国家级核能产业集聚战略高地。核能是通过核反应从原子核释放的能量，如氦与氘核的核反应方程是，方程中为释放的核能．已知氘核的比结合能为，氦核的比结合能为，则下列说法中正确的是(    ) A. 该反应为核裂变反应，生成的新核是 B. 氦核中有个质子个中子，氦核与氦核不是互为同位素 C. 该反应中氦的比结合能为 D. 该反应生成物的质量数将小于反应物的质量数 4．年月日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置创下新纪录，实现秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是(    ) A. 相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多 B. 氘氚核聚变的核反应方程为 C. 核聚变的核反应燃料主要是铀 D. 核聚变反应过程中没有质量亏损 5.一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量，中子质量，氚核质量已知。 写出核聚变方程； 释放出的核能多大？ 平均每个核子释放的能量是多大？ 【课堂自测·基础练】 1．下列说法正确的是（　　） A．太阳辐射在黄绿光附近辐射最强，人眼对黄绿光最敏感 B．氘核分离成质子与中子的过程中需要吸收的最小能量就是氘核的结合能 C．高温能使原子核克服核力而聚变 D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多 2．下面列出的核反应方程，与原子弹、氢弹等核武器相关的核反应方程是（　　） A． B． C． D． 3．浙江秦山核电站第三期工程有两个60万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于的裂变，现有四种说法，说法正确的是（　　） A．裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 B．的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为 C．是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短 D．一个核裂变能放出约200MeV的能量，合3.2×10－11J 4．下列说法正确的是（　　） A．黑体是不向外辐射任何电磁波的理想化模型 B．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 C．任何物质都不会在红外线照射下发出可见光 D．电磁波遇到障碍物会发生反射，“彩超”就是利用电磁波的这个特性工作的 5．太阳能源于太阳内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为，下列说法正确的是（　　） A．该聚变的核反应方程是 B．聚变反应在常温下不能发生 C．太阳每秒钟减少的质量约为 D．目前核电站采用的核燃料主要是氢核 6．核反应方程为→+17.6MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为14MeV D．获得的动能约为14MeV 7.有完全自主知识产权的国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程商运投产，成为世界首个实现模块化第四代核电技术商业化运行的核电站，标志着我国在高温气冷堆核电技术领域实现了全球领先。关于高温气冷堆核电站说法正确的是（　　） A．利用核聚变发电，所以需要高温 B．通过改变温度控制核反应速度 C．利用核裂变时发生“质量亏损”而提供能量 D．核反应堆中镉棒插入是提高核反应速度 8.铀235捕获中子的核反应方程为，已知该反应过程中释放的能量为，则（　　） A．新核Y含有52个中子 B．该反应属于原子核的衰变 C．的比结合能为 D．比更稳定 9.新华社报道：中国“人造太阳”配上“赤霄光剑”。2025年1月，中国成功研制强流直线等离子体装置“赤霄”，每平方米每秒钟可极速喷射出亿亿亿个粒子，为研制“人造太阳”核心材料提供科技利器。“赤霄”通过超导磁场技术，为特殊墙体材料的验证提供了关键支持。“赤霄”的性能已超过全球同类装置，其研发过程凝聚了中国科学家的创新智慧和不懈努力。下列说法正确的是（　　） A．我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置是目前我国核电站普遍采用的设备 B．核聚变也叫做链式反应，发生反应需要反应物质量大于临界质量 C．等离子体若喷入与其速度方向平行的强磁场也可以制成发电装置 D．用超导材料形成回路，一旦回路中有了电流，电流将无损耗的持续下去，在发电、输电等方面会有广泛应用前景 10.关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变需要在高温下进行 B．核聚变中电荷不守恒 C．太阳质量不变 D．太阳核反应方程式：U＋n→Ba＋Kr＋3n 11.在中国“人造太阳”全超导托卡马克实验装置中，氘核（）和氚核（）聚变结合成一个新的原子核，并放出一个中子，该新的原子核为（　　） A．氕核 B．氧核 C．氦核 D．氮核 12.太阳现正处于主序星演化阶段．它主要是由正，负电子和、等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是（释放的核能），这些核能最后转化为辐射能．已知质子质量，核质量，电子质量，光速，则每发生一次上述核聚变反应所释放的核能为（　　） A． B． C． D． 13.太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核（）结合成1个氦核同时放出两个正电子的过程。质子的质量为1.0078u，α粒子的质量为4.0026u，正电子的质量为0.0005u，1u相当于931.5MeV的能量。每次核聚变反应过程中释放的能量约为取（　　） A．2.57MeV B．25.7MeV C．257MeV D．2570MeV 【素养进阶·提升练】 1．我国第四代反应堆——钍基熔盐堆能源系统（TMSR）研究已获重要突破。在相关中企发布熔盐反应堆驱动的巨型集装箱船的设计方案之后，钍基熔盐核反应堆被很多人认为是中国下一代核动力航母的理想动力。钍基熔盐核反应堆的核反应方程式主要包括两个主要的核反应，其中一个是：。已知核、、、的质量分别为是、、、，根据质能方程，物质的能量相当于。下列说法正确的是（    ） A．核反应方程中的， B．一个核裂变放出的核能约为 C．核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长 D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电 2．核反应方程为，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为 D．获得的动能约为 3．月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一。已知一个氘核和一个氦3聚变的生成物是氦4和一个未知粒子，H的质量为m1，He的质量为m2，He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则（　　） A．未知粒子是质子 B．该核反应属于原子核的人工转变 C．反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4 D．氦4的结合能一定小于氦3的结合能 4．月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为或。下列说法正确的是（　　） A．X是中子 B．Y是正电子 C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D．比的原子核更稳定 5．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°=0.6，cos37°=0.8） (1)写出氘和氚核聚变的核反应方程式； (2)只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小； (3)如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为的粒子。 ①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ=37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L； ②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.核裂变与核聚变 【知识梳理】 1 一、 原核裂变 1 二、 反应堆与核电站 1 三、 核聚变 2 【重难探究】 2 探究1 　探究重核裂变反应 2 探究2 探究核聚变反应 4 【课堂自测·基础练】 8 【素养进阶·提升练】 16 【知识梳理】 知识点1 核裂变 1．核裂变 铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核的裂变 (1)常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n (2)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。 3．链式反应 (1)定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。 (2)临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 (3)条件 ①有足够数量的慢中子轰击。 ②铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。 知识点2 反应堆与核电站 1．核电站 利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分： 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2．工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 知识点3 核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2．核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。 ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。 【重难探究】 探究1 　探究重核裂变反应 【探究导入】。如图所示，1964年10月16号中国第一颗原子弹成功在罗布泊引爆，这颗原子弹的爆炸让整个世界都为之震惊。 问题 (1) 这颗原子弹的爆炸的原理是什么？ 提示：这颗原子弹的爆炸的原理是裂变核反应，较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核，同时释放能量。 （2）铀核的裂变是一种天然放射现象吗？ 提示：不是．铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核反应． （3）铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？ 提示：不是．铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的． （4）重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？ 提示：重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒． 【探究归纳】1．铀核的裂变和裂变方程 (1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状． (2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能． (3)常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．链式反应的条件 (1)有慢中子轰击． (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量． 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足． 3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温． 【典例赏析】 [例1]　年月日秦山核电站迎来了安全发电周年，核电站累计发电约，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是(    ) A. 秦山核电站利用的是核聚变释放的能量 B. 秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为 C. 核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 D. 反应堆中存在的核反应 【答案】CD  【解析】解：、目前核电站均利用铀核裂变释放的能量发电，故A错误； B、秦山核电站年累计发电约，根据爱因斯坦质能方程得 ， 核反应产生的能量不能完全转化为电能，故质量亏损比更多，故B错误； C、铀核裂变可通过反应堆中的镉棒控制链式反应速度，故C正确； D、用一个中子轰击铀核，产生个中子，铀核裂变方程式为：，其中核反应方程两端的中子不能约去，故D正确。 故选：。 【针对训练】 1．2023年12月6日，山东荣成华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程在稳定电功率水平上正式投产运行，标志着我国在高温气冷堆核电技术领域已处于全球领先地位。在其核反应中有一个反应是吸收一个中子引发裂变反应，生成物有、和中子，其中仍有放射性，半衰期为T。已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则下列说法正确的是（　　） A．该核反应方程式为 B．一个裂变时释放的能量为 C．一个裂变时释放的能量为 D．10个核经过一个半衰期后有5个核会衰变 【答案】B 【详解】A．该核反应方程式为 故A错误； BC．一个核释放的能量为 故B正确，C错误； D．半衰期是大量放射性原子核衰变的统计规律，对少数原子核没有意义，故D错误。 故选B。 2.如图所示，某次铀核裂变反应式为，反应产生的中子可能击中其它铀原子核从而引发链式反应，用、、分别表示、、核的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（    ） A．链式反应若能发生，铀原料的体积必须大于临界体积 B．裂变产物的比结合能小于的比结合能 C．该核反应过程中质量有所增加 D．该核反应中放出的核能为 【答案】A 【详解】A．链式反应若能发生，铀原料的体积必须大于临界体积，故A正确； BC．比结合能越大越稳定，所以裂变产物的比结合能大于的比结合能，该核反应放出能量，所以反应过程产生质量亏损，故BC错误； D．设一个中子的质量为，该核反应中放出的核能为，故D错误。 故选A。 探究2 探究核聚变反应 【探究导入】 氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多， 1967年，我国第一颗氢弹爆炸试验成功。值得一提的是，从原子弹到氢弹，我国仅用了两年零八个月。如图所示是爆炸时的图片。 问题 （1）怎样才能引发氢弹爆炸？ 提示：首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发氢弹爆炸． （2）核聚变为什么需要几百万度的高温？ 提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能． （3）为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 提示：因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大． （4）受控核聚变中磁约束的原理是什么？ 提示：原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作 半衰期是放射性元素的大量原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对． 【探究归纳】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10－15 m，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．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达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3～4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 【例2】氘核可通过系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知海水中含有的氘核约为个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为的标准煤燃绕时释放的热量相等；已如标准煤燃烧释放的热量约为，，则约为(    ) A. B. C. D. 【答案】C  【解析】解：根据反应式可知，个氘核发生聚变反应可放出的能量，则平均每个氘核可放出的能量，若海水中含有的个氘核全都发生聚变反应，其释放的能量为；则质量为的标准煤燃绕时释放的热量，而标准煤燃烧释放的热量约为，则；故ABD错误，C正确； 故选：。 【针对训练】 3．年月日，百亿级中核核能产业园签约落地成都，助力打造国家级核能产业集聚战略高地。核能是通过核反应从原子核释放的能量，如氦与氘核的核反应方程是，方程中为释放的核能．已知氘核的比结合能为，氦核的比结合能为，则下列说法中正确的是(    ) A. 该反应为核裂变反应，生成的新核是 B. 氦核中有个质子个中子，氦核与氦核不是互为同位素 C. 该反应中氦的比结合能为 D. 该反应生成物的质量数将小于反应物的质量数 【答案】C  【解析】该反应为核聚变反应，根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为，可知生成的新核  是  ，A错误； B.氦核中有个质子个中子，质子数相同的称为同位素，氦核与氦核是互为同位素，B错误； C.根据，可得氦的比结合能为，C正确； D.核反应过程的前后，反应体系的质量数守恒，D错误。 故选C。 4．年月日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置创下新纪录，实现秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是(    ) A. 相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多 B. 氘氚核聚变的核反应方程为 C. 核聚变的核反应燃料主要是铀 D. 核聚变反应过程中没有质量亏损 【答案】A  【解析】A.相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A正确； B.根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为，B错误； C.以铀为燃料的核反应生成多个质量比铀小的核，属于核裂变，核聚变的燃料是质量较小的原子核，如氢、氦等，C错误； D.核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，D错误。 故选：。 5.一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量，中子质量，氚核质量已知。 写出核聚变方程； 释放出的核能多大？ 平均每个核子释放的能量是多大？ 【答案】解：核聚变方程为 质量亏损为  释放的核能为 平均每个核子放出的能量为 【课堂自测·基础练】 1．下列说法正确的是（　　） A．太阳辐射在黄绿光附近辐射最强，人眼对黄绿光最敏感 B．氘核分离成质子与中子的过程中需要吸收的最小能量就是氘核的结合能 C．高温能使原子核克服核力而聚变 D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多 【答案】ABD 【详解】A．太阳辐射在黄绿光附近辐射最强，而人眼也对黄绿光最敏感，A正确； B．质子与中子结合成氘核的过程中会放出的能量或者氘核分离成质子与中子的过程中需要吸收的最小能量就是氘核的结合能，B正确； C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15m以内，核力才能起作用，那么热核反应时要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能来克服库仑斥力而聚变在一起形成新的原子核，即高温能使轻核克服库仑斥力而聚变，而不是克服核力而聚变，C错误； D．轻核的聚变过程中亏损的质量比较大，根据质能方程可知对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多，D正确。 故选ABD。 2．下面列出的核反应方程，与原子弹、氢弹等核武器相关的核反应方程是（　　） A． B． C． D． 【答案】AB 【详解】原子弹的原理核裂变，核反应方程为 氢弹的原理核聚变，核反应方程为 故选AB。 3．浙江秦山核电站第三期工程有两个60万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于的裂变，现有四种说法，说法正确的是（　　） A．裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 B．的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为 C．是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短 D．一个核裂变能放出约200MeV的能量，合3.2×10－11J 【答案】BD 【详解】AB．裂变时，核子数、质量数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量，产生质量亏损，释放核能，故A错误，B正确； C．的半衰期不会随环境温度的变化而改变，它是由核内部自身的因素决定的，故C错误； D．200MeV的能量，约 200MeV=200×106×1.6×10－19J=3.2×10－11J 故D正确。 故选BD。 4．下列说法正确的是（　　） A．黑体是不向外辐射任何电磁波的理想化模型 B．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 C．任何物质都不会在红外线照射下发出可见光 D．电磁波遇到障碍物会发生反射，“彩超”就是利用电磁波的这个特性工作的 【答案】BC 【详解】A．黑体虽然不反射电磁波，但是会向外辐射电磁波，即黑体辐射，故A错误； B．核电站反应堆中需要用镉棒能吸收中子的特性，通过控制中子的数量控制链式反应的速度，故B正确； C．红外线能量低于可见光，所以任何物质都不会在红外线照射下发出可见光，故C正确； D．电磁波遇到障碍物会发生反射，但“彩超”是利用多普勒效应工作的，故D错误。 故选BC。 5．太阳能源于太阳内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为，下列说法正确的是（　　） A．该聚变的核反应方程是 B．聚变反应在常温下不能发生 C．太阳每秒钟减少的质量约为 D．目前核电站采用的核燃料主要是氢核 【答案】BC 【详解】A．根据质量数守恒和电荷数守恒，可得该聚变的核反应方程为 生成物是正电子，不是电子，故A错误； B．该聚变反应需要在高温高压条件下发生，聚变反应在常温下不能发生，故B正确； C．根据爱因斯坦的质能方程，可得太阳每秒钟减少的质量为 故C正确； D．目前核电站采用的核燃料主要是铀核，利用铀核的裂变反应过程中释放的核能，故D错误。 故选BC。 6．核反应方程为→+17.6MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为14MeV D．获得的动能约为14MeV 【答案】AC 【详解】A．核反应过程中质量数守恒，有质量亏损，A正确； B．该反应是核聚变反应，B错误； CD．在真空中，该反应动量守恒，由于相撞前氘核与氚核动量大小相等，方向相反，系统总动量为零。故反应后氦核与中子的动量也大小相等，方向相反。 由得反应粒子获得的动能之比为 而两个粒子获得的总动能为，故获得的动能， 获得的动能。故C正确，D错误。 故选AC。 7.有完全自主知识产权的国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程商运投产，成为世界首个实现模块化第四代核电技术商业化运行的核电站，标志着我国在高温气冷堆核电技术领域实现了全球领先。关于高温气冷堆核电站说法正确的是（　　） A．利用核聚变发电，所以需要高温 B．通过改变温度控制核反应速度 C．利用核裂变时发生“质量亏损”而提供能量 D．核反应堆中镉棒插入是提高核反应速度 【答案】C 【详解】A．高温气冷堆核电站是将气体作为冷却剂，能够大大提高核电站的安全性。但是目前高温气冷堆核电站采用的是核裂变进行发电，A错误； B．可控核裂变指的是通过隔棒吸收中子，调节参与反应的中子数目以控制反应速度，B错误； C．可控核裂变是利用重核裂变的原理，重核裂变在放出能量的过程中存在质量亏损，C正确； D．核反应堆中镉棒插入吸收中子，降低核反应速度，D错误。 故选C。 8.铀235捕获中子的核反应方程为，已知该反应过程中释放的能量为，则（　　） A．新核Y含有52个中子 B．该反应属于原子核的衰变 C．的比结合能为 D．比更稳定 【答案】A 【详解】A．由核反应中质量数守恒、电荷数守恒可知，新核为，则新核Y的中子数为 故A正确。 B．该反应是在中子作用下发生的，不是原子核自发进行的，属于核裂变，不属于衰变，故B错误。 C．该反应过程中释放的能量不是铀235的结合能，因此铀235的比结合能不是，故C错误。 D．核反应释放能量，比结合能越大，原子核越稳定，生成物的比结合能大于反应物的，故D错误。 故选A。 9.新华社报道：中国“人造太阳”配上“赤霄光剑”。2025年1月，中国成功研制强流直线等离子体装置“赤霄”，每平方米每秒钟可极速喷射出亿亿亿个粒子，为研制“人造太阳”核心材料提供科技利器。“赤霄”通过超导磁场技术，为特殊墙体材料的验证提供了关键支持。“赤霄”的性能已超过全球同类装置，其研发过程凝聚了中国科学家的创新智慧和不懈努力。下列说法正确的是（　　） A．我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置是目前我国核电站普遍采用的设备 B．核聚变也叫做链式反应，发生反应需要反应物质量大于临界质量 C．等离子体若喷入与其速度方向平行的强磁场也可以制成发电装置 D．用超导材料形成回路，一旦回路中有了电流，电流将无损耗的持续下去，在发电、输电等方面会有广泛应用前景 【答案】D 【详解】A．题干中提到“人造太阳”是指全超导托卡马克核聚变实验装置，但并未提到这是我国核电站普遍采用的设备。实际上，核电站目前主要采用核裂变技术，而非核聚变技术，A错误； B．核聚变与链式反应是两个不同的概念。链式反应通常指的是核裂变过程中中子引发的一系列反应，而核聚变是指轻原子核结合成重原子核的过程，B错误； C．等离子体喷入与其速度方向平行的强磁场，离子做匀速直线，不可以制成发电装置，C错误； D．题干中提到“赤霄”装置通过超导磁场技术，超导材料的一个重要特性是零电阻，即电流在超导回路中可以无损耗地持续流动。这一特性在发电、输电等方面具有广泛应用前景，D正确。 故选D。 10.关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变需要在高温下进行 B．核聚变中电荷不守恒 C．太阳质量不变 D．太阳核反应方程式：U＋n→Ba＋Kr＋3n 【答案】A 【详解】A．高温时剧烈的热运动使得原子核具有足够的动能，可以克服他们自身相互间巨大的库仑斥力，碰撞时十分接近，从而发生核聚变，故A正确； B．核聚变中电荷是守恒的，故B错误； C．太阳在不停地发生核聚变，放出大量能量，根据质能方程可知太阳质量在不断减小，故C错误； D．太阳核反应应是核聚变反应，而不是核裂变反应，故D错误。 故选A。 11.在中国“人造太阳”全超导托卡马克实验装置中，氘核（）和氚核（）聚变结合成一个新的原子核，并放出一个中子，该新的原子核为（　　） A．氕核 B．氧核 C．氦核 D．氮核 【答案】C 【详解】根据题意写出核反应方程 根据质量数守恒、电荷数守恒可知 ， 则新的原子核为。 故选C。 12.太阳现正处于主序星演化阶段．它主要是由正，负电子和、等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是（释放的核能），这些核能最后转化为辐射能．已知质子质量，核质量，电子质量，光速，则每发生一次上述核聚变反应所释放的核能为（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】根据质能方程，可知每发生一次上述核聚变反应所释放的核能 故选B。 13.太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核（）结合成1个氦核同时放出两个正电子的过程。质子的质量为1.0078u，α粒子的质量为4.0026u，正电子的质量为0.0005u，1u相当于931.5MeV的能量。每次核聚变反应过程中释放的能量约为取（　　） A．2.57MeV B．25.7MeV C．257MeV D．2570MeV 【答案】B 【详解】核聚变反应方程为 核聚变反应过程中的质量亏损为 由质能方程可知释放的能量为。故选B。 【素养进阶·提升练】 1．我国第四代反应堆——钍基熔盐堆能源系统（TMSR）研究已获重要突破。在相关中企发布熔盐反应堆驱动的巨型集装箱船的设计方案之后，钍基熔盐核反应堆被很多人认为是中国下一代核动力航母的理想动力。钍基熔盐核反应堆的核反应方程式主要包括两个主要的核反应，其中一个是：。已知核、、、的质量分别为是、、、，根据质能方程，物质的能量相当于。下列说法正确的是（    ） A．核反应方程中的， B．一个核裂变放出的核能约为 C．核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长 D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电 【答案】C 【详解】A．根据电荷数守恒和质量数守恒可得， 解得，，故A错误； B．亏损的质量为 则一个核裂变放出的核能为，故B错误； C．根据，核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长，故C正确； D．核反应堆通过核裂变将核能转化为内能，再经热机转化为机械能，最终转化为电能，而非直接转化，故D错误。 故选C。 2．核反应方程为，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为 D．获得的动能约为 【答案】AC 【详解】核反应方程为 。两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞，反应释放的能量几乎全部转化为氦核（）与中子（）的动能。总初始动量为零。 A．反应释放能量，根据爱因斯坦质能方程，释放的能量来源于质量亏损，故该反应一定有质量亏损，故A正确。 B．核裂变是重核分裂成中等质量核的过程，而此反应是两个轻核（氘核和氚核）聚合成一个较重的氦核，属于核聚变，不是核裂变，故B错误。 C．反应释放的能量几乎全部转化为氦核与中子的动能。初始总动量为零，反应后总动量也为零，氦核与中子动量大小相等、方向相反。质量比（质量数比近似为质量比） 动能公式为 动量大小相等，故动能与质量成反比，则有 即 总动能 解得， 故中子动能约为 14 MeV，故C正确。 D．由上述计算，氦核动能约为，不是，故D错误。 故选AC。 3．月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一。已知一个氘核和一个氦3聚变的生成物是氦4和一个未知粒子，H的质量为m1，He的质量为m2，He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则（　　） A．未知粒子是质子 B．该核反应属于原子核的人工转变 C．反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4 D．氦4的结合能一定小于氦3的结合能 【答案】A 【详解】A．根据电荷数和质量数守恒， 反应前：氘核电荷数1，质量数2；氦3电荷数2，质量数3；反应后：氦4电荷数2，质量数4； 所以未知粒子电荷数为 ，质量数为 ，电荷数1、质量数1的粒子为质子，故A正确； B．该反应是轻核聚变生成更重核的过程，属于核聚变，而非人工转变，故B错误； C． 核反应中因质量亏损，总质量减少，即 ，故C错误； D．比结合能是衡量原子核稳定性的重要指标，比结合能越大，原子核越稳定。氦4的比结合能大于氦3，因此氦4是更稳定的原子核，其总结合能也更大，故D错误。 故选A。 4．月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为或。下列说法正确的是（　　） A．X是中子 B．Y是正电子 C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D．比的原子核更稳定 【答案】AC 【详解】AC．根据质量数守恒和电荷数守恒可得：的质量数为 电荷数为，为中子，的质量数为 电荷数为，为质子，故A正确，故B错误； C．核聚变反应过程中，由于质量亏损所以会释放出核能，故C正确； D．质量数越接近中等核的原子核比结合能越大，所以比的比结合能大，也更稳定，故D错误。 故选AC。 5．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°=0.6，cos37°=0.8） (1)写出氘和氚核聚变的核反应方程式； (2)只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小； (3)如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为的粒子。 ①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ=37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L； ②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。 【答案】(1) (2) (3)①；② 【详解】（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为 （2）设极向场线圈产生的磁场大小为B，由洛伦兹力提供向心力 解得 （3）带电粒子与x轴成θ角射入环向磁场，粒子沿螺旋线运动。 ①设粒子垂直轴向做圆周运动的周期为T，则 则螺距为 解得 ②粒子垂直轴向做匀速圆周运动，当粒子刚好碰到室壁时v0与x轴夹角最大为θm，由牛顿第二定律 又半径为 解得， 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $