19.7_核聚变
19.7核聚变
BD
19.7核聚变 19.8粒子和宇宙
学习目标
• 1．了解聚变反应的特点及其条件. • 2．了解可控热核反应及其研究和发展. • 3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量, 如果能加以控制将为人类提供广阔的能源 前景。 • 4、知道宇宙中的粒子。
带着问题先学
• 1、看比结合能曲线（图19.5-3），想一想 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？ • 2、试从微观和宏观两个角度说明核聚变发 生的条件？ 重点 • 3、氢弹爆炸原理是什么？氢弹的构造简介 及其爆炸情况。 • 4、还能通过什么方法实现核聚变？ • 5、重核裂变与氢核聚变对比有什么优点和 重点 缺点？
2．下列说法中正确的是：（ B ） 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进行； D．聚变反应必须使核之间距离接近10-15m。
D
• 4．热核反应是一种理想能源的原因是 ( ABC) • A．就平均每一个核子来说，热核反应比 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
一、核聚变的利用——氢弹
弹体 普通炸药 铀235 外壳 氘、氚、重 氢化钾等 引爆装置 小 型 原 子 弹
三种炸药：
普通炸药 爆炸 裂变 聚变
1 0
Ｕ235
氘、氚
2 1
H H He核聚变普遍存在于宇宙中，宇宙 中也存在大量的核聚变原料。
地球上科学家的一些可能实现可控 核聚变的设想
• 日英开发出激光核聚变新方法、有人提出 利用点解重水的方法实现低温核聚变
二、可控热核反应——核聚变的利用
可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用 聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的 可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研 究成果。
19.7 核聚变(卡片)
§ 19.7 核聚变【学习目标】1．了解聚变反应的特点及其条件.2．了解可控热核反应及其研究和发展.3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
【预习卡片】一．聚变及其条件1.什么叫轻核的聚变？2.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？3.请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？说明：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。
太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。
它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿～100亿年。
当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！4.上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。
氢弹爆炸原理是什么？二．可控热核反应1．了解聚变与裂变相比有哪些优点？2.我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。
【巩固提高】1．中子n、质子p、氘核D的质量分别为m n、m p、m D，现用光子能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解，反应的方程为γ+D=p+n,若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是（）A．[]EcmmmnPD---2)(21B．[]EcmmmPnD+-+2)(21C．[]EcmmmnPD+--2)(21D．[]EcmmmPnD--+2)(212．下列说法中正确的是（）A ．质子与中子的质量不等，但质量数相等B ．两个质子间，不管距离如何，核力总是大于库仑力C ．同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同D ．除万有引力外，两个中子之间不存在其它相互作用力 3．已知氘核质量为2.0136u ，中子质量为1.0087u ，He 32核的质量为3.0150u 。
核聚变
核聚变——人类理想新能源每讲小结第一讲：核聚变和聚变能源摩西等人认为，能最快接近核聚变的途径莫过于“杂交技术”，即用聚变反应来加速核废料中的裂变反应。
在这种被称为“激光惯性聚变引擎”(laser inertial fusion engine，LIFE)的方法中，大功率激光束将能量聚焦在很小的靶丸上，能量冲击将点燃初级核聚变反应，聚变产生的中子向外传播，击中外面包裹的裂变物质壳层，壳层可以是来自核电站的乏燃料(spentfuel，使用过的燃料)，也可以是军事上常用的贫核聚变能源。
铀(depleted uranium)。
放射性废料在中子的轰击下会触发更多衰变，释放出可用于发电的热，同时加速废料本身向稳定物质的转变(从而解决了核废料的处理问题)。
摩西称，他能在 2020年之前制造出一台基于 LIFE的工程原型，并在2030年之前实现并网发电。
第二讲：开发聚变能源的途径及进展磁约束核聚变是利用强磁场约束高温高密度等离子体，从而产生可以控制的核聚变反应。
按照普通的低约束模式运行，其装置规模极为庞大，加热及控制技术难度极高，建造及运行成本极为昂贵。
高约束模式是实现聚变能源开发的关键一步，一直是核聚变科学领域的前沿研究难题。
正在规划建设中的国际大科学工程――国际热核聚变实验堆将采用高约束模式运行。
国际上只有美国、日本、欧洲的一些装置能实现高约束模式运行。
第三讲：托卡马克原理及进展托卡马克(Tokamak)是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。
它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。
最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。
受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。
但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。
上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。
核聚变 每课一练 (含解析) (27)
17．指出下列核反应的类型：
（1） _3） ________
18．下列说法中正确的是______
A．氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，释放出一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小
B．普朗克为了解释光电效应的规律，提出了光子说
考点：爱因斯坦质能方程、裂变反应和聚变反应
【名师点睛】本题考查了核反应方程式、质能方程的应用、核反应的分类，核反应分为核聚变与核裂变，要注意它们的区别；本题难度不大，是一道基础题，熟练掌握基础知识，即可正确解题。
2．A
【解析】
试题分析：重核裂变是质量数较大的核裂变为质量中等的核，聚变是质量数较小的核转化为质量较大的核，核反应满足转化过程中质量数和电荷数都守恒．A、方程②是质量数较小的和转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故A正确；B、方程①是质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，故B错误；C、太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的，故C错误；D、同位素的质子数相同，故D错误．故选A。
A．这种装置中发生的核反应方程式是
B．由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C．核反应放出的能量等于（m1+m2–m3–m4）c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同
2．“两弹”所涉及的基本核反应方程有：① ，② ，关于这两个方程，下列说法正确的是
A．方程②属于轻核聚变
C．在微观物理学中，能同时准确地质点粒子的位置和动量
D．科学研究发现太阳光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的裂变反应
19．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 + + ， + +X+ 方程式中 1、 表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
人教版高中物理选修(3-5)-19.7《核聚变》导学案
高二物理选修核聚变导学案一、知识点扫描1、聚变及其条件问题：什么叫轻核的聚变？问题：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？计算氢的聚变反应所释放能量：2H+31H→42He+10n1（21H的质量是2.0136u，31H的质量是3.0166u，42He的质量是4.0026u，10n的质量是1.0087u。
）提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？结论：微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，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。
宏观上：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。
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。
说明：（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107 K 以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。
太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。
它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。
当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！（2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。
提问：氢弹爆炸原理是什么？2、可控热核反应（1）聚变与裂变相比有很多优点提问：目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。
我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。
请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？可控热核反应发展进程：总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。
教法分析19.7 核聚变
第7节核聚变
初步了解，知道可控核聚变的主要困难1945年7月16日，第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。
爆炸时支承原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
原子弹的巨大威力震惊了世界，也使反对原子武器的呼声空前高涨。
舆论不仅谴责下令使用原子弹的人，也要追究科学家的责任。
大部分原子弹研制的创议者成了反核战争的积极分子，奥本海默本人则辞去了职务，去进行宇宙线的纯科学研究。
为了打破核垄断，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。
同时，我国政府郑重宣布：中国在任何时候、任何情况下，都不会首先使用核武器。
我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。
核聚变反应式
核聚变反应式简介核聚变反应式是指在核聚变反应中发生的化学反应式。
核聚变是一种高能量的核反应，是太阳和其他恒星的主要能量来源。
通过核聚变反应，轻核素合成为重核素，同时释放出巨大的能量。
核聚变的过程核聚变是一种将轻核素融合成重核素的过程。
在核聚变反应中，通常涉及两种轻核素的融合，其中最常见的是氘和氚的融合。
核聚变反应的过程可以用以下化学反应式表示：氘 + 氚→ 氦 + 中子 + 能量在这个反应式中，氘和氚是两种重氢同位素，氦是融合后产生的新核素，中子是释放出的粒子，能量则是由于质量差异产生的。
核聚变反应的优势与核裂变反应相比，核聚变反应具有以下优势：1.资源丰富：氘和氚是地球上非常丰富的资源，与核裂变反应所需的铀等物质相比，核聚变反应所需的燃料更容易获得。
2.安全性高：核聚变反应不产生高放射性废物，相对较安全。
3.可控性强：核聚变反应可以在相对较低的温度和压力下进行，控制反应过程较为容易。
4.能量产出大：核聚变反应释放的能量远远超过核裂变反应，可以为人类提供更大的能源供应。
当前的挑战和发展尽管核聚变反应具有诸多优势，但目前仍面临着一些挑战和技术难题。
温度和压力控制核聚变反应需要高温和高压条件才能进行，目前科学家们还没有找到一个能够实现稳定的核聚变反应的方法。
如何控制高温和高压条件，是当前的一项重要研究课题。
磁约束和惯性约束目前主要有两种控制核聚变反应的方法，一种是磁约束，使用磁场将离子控制在一个磁力线管内；另一种是惯性约束，使用激光或粒子束将离子聚集在一个小点上。
这两种方法都面临着技术上的挑战和限制，如磁约束需要耗费大量的能量来维持磁场，惯性约束受到材料的限制，产生激光或粒子束的设备也非常昂贵。
长期性能和可持续性核聚变反应需要长期维持高温和高压条件，如何保持反应的稳定性和持续性，以及如何利用核聚变反应产生的能量来驱动发电机等设备，是当前的另一个关键问题。
未来的前景尽管核聚变反应仍面临着许多挑战，但科学家们对于核聚变技术的未来发展充满信心。
高中物理 19.7核聚变详解
高中物理| 19.7核聚变详解核聚变物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。
把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。
1轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。
轻核的聚变:根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10的负15次方m.实现的方法有:1、用加速器加速原子核；2、把原子核加热到很高的温度；108～109K 聚变反应又叫热核反应核聚变的利用——氢弹2可控热核反应——核聚变的利用可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果。
1.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。
①轻核聚变产能效率高。
②地球上聚变燃料的储量丰富。
③轻聚变更为安全、清洁。
2.现在的技术还不能控制热核反应。
①热核反应的的点火温度很高；②如何约束聚变所需的燃料；③反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；3.实现核聚变的两种方案。
①磁约束（环流器的结构）②惯性约束（惯性约束）习题演练1. (2011年绍兴一中检测)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电、显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000 s，温度超过1亿度，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性2. 重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是（）A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损。
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三新P66例3 三新P66例 P66
聚变后比结合能增加， 聚变后比结合能增加， 反应中会释放能量
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量: 根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
2 1
H+ H→ H + n e
3 1 4 2 1 0
氘核的质量： 氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量： 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量： 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量： 中子的质量：mn=1.008665u
第七节、核聚变
本节要求掌握： 本节要求掌握： 1、知道聚变的概念，知道太阳能是热核 、知道聚变的概念， 聚变释放的核能 2、知道聚变（热核反应）的条件和优点 、知道聚变（热核反应） 3、知道海洋中拥有巨大的聚变资源，知 、知道海洋中拥有巨大的聚变资源， 道研究受控热核反应的重大意义 4、了解受控热核聚变是目前科学家研究 、 的重大课题
3、轻核聚变更为安全、清洁 轻核聚变更为安全、
（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的 高温不能维持反应就能自动终止， 氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚， 氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速 中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质， 中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质， 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理） 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
轻核的聚变（热核反应） 一、 轻核的聚变（热核反应）
某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核， 某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这 种核反应叫做聚变 聚变。 种核反应叫做聚变。
2 1
H+ H→ H + n e
3 1 4 2 1 0
2 1
H+ H→ H + n e
2 1 3 2 1 0
核聚变的利用——氢弹
弹体 普通炸药 铀235 外壳 氘、氚、重 氢化钾等 引爆装置 小 型 原 子 弹
三种炸药： 三种炸药：
普通炸药 Ｕ235 氘、氚
2 1 1 4 2
爆炸 裂变 聚变
1 0
H+ H→ H + n e
氢弹爆炸形成的磨姑云
核聚变普遍存在于宇宙中
受控热核反应——核聚变的利用 二、受控热核反应——核聚变的利用
现在的技术还不能控制热核反应。 现在的技术还不能控制热核反应。
问题有： 问题有： 热核反应的的点火温度很高； １、热核反应的的点火温度很高； ２、如何约束聚变所需的燃料； 如何约束聚变所需的燃料；
磁场约束
现在的技术还不能控制热核反应。 现在的技术还不能控制热核反应。
问题有： 问题有： 热核反应的的点火温度很高； １、热核反应的的点火温度很高； ２、如何约束聚变所需的燃料； 如何约束聚变所需的燃料；
∆m = mD + m −(m + mn ) = 0.018884u T α
∆E = ∆mc = 0.01884×931.5M eV ∆E =17.59M eV
2
平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个 以上， 平均每个核子放出的能量在 以上 核子放出的能量大3~4倍。 核子放出的能量大 倍
本节要求掌握： 本节要求掌握： 1、知道聚变的概念，知道太阳能是热核 、知道聚变的概念， 聚变释放的核能 2、知道聚变（热核反应）的条件和优点 、知道聚变（热核反应） 3、知道海洋中拥有巨大的聚变资源，知 、知道海洋中拥有巨大的聚变资源， 道研究受控热核反应的重大意义 4、了解受控热核聚变是目前科学家研究 、 的重大课题
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。 热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。
1、轻核聚变产能效率高 2、地球上聚变燃料的储量丰富
（每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立 每升水中就含有0.03g氘 地球上有138.6亿亿立 0.03g 138.6 方米的水，大约有40万亿吨氘。 40万亿吨氘 方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来 制取，地球上锂储量有2000亿吨） 2000亿吨 制取，地球上锂储量有2000亿吨）
发生聚变的条件: 发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到10 使原子核间的距离达到10-15m， 原子核需要很大的动能才会“ 在一起） （原子核需要很大的动能才会“撞”在一起） 实现的方法有: 实现的方法有: 用加速器加速原子核； 1、用加速器加速原子核； 不经济
把原子核加热到很高的温度； ２、把原子核加热到很高的温度； 108～109K 聚变反应又叫热核反应
惯性约束
现在的技术还不能控制热核反应。 现在的技术还不能控制热核反应。
问题有： 问题有： 热核反应的的点火温度很高； １、热核反应的的点火温度很高； ２、如何约束聚变所需的燃料； 如何约束聚变所需的燃料；
可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚 可控热核反应将为人类提供巨大的能源, 变产生的核量是非常吸引人的重大课题， 变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控 核聚变装置“中国环流器1 已取得不少研究成果. 核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.