高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 原子能发电素材 鲁科版选修35
原子能发电
（一）核电站的特殊优点
随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。
据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。
目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。
据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。
所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。
原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。
目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。
尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。
核电站究竟有什么独特的优点呢？
我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。
核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。
我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。
此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。
当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。
核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。
一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。
例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。
一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。
即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。
象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。
由于核电站免去了一般电站的繁重运输任务，所以核电站可以建在交通不便、缺乏燃料的偏僻山区。
同时由于核电站裂变反应根本不象普通电站烧煤那样需要氧气，所以只要有充足的水源，即使空气稀薄、交通极为不便的青藏高原也可以建堆。
核电站是利用裂变得到能量，不象火力发电厂烧大量煤，造成黑烟滚滚污染空气，所以核电站比烧煤电站干净，核电
站常建在大江大河边上或者风景优美幽静的海滨。
此外，核电站还有一个很大的好处，就是可以产生新的裂变材料，即钚239，它是比铀235更好的核燃料，而且是制造高效力核武器的材料。
钚可以通过核电站中铀棒经链式裂变反应之后，从废铀棒中加以分离提取，一个功率为一百万千瓦的核电站，每年可以从废铀棒中提出好几公斤的钚239，除了可以制造原子弹用外，也可用于核电池等其他用途。
（二）几种主要的堆型介绍
1．热中子堆。
这是目前最常见的堆型。
它的原理是在堆的活性区，放入原子序数Ｚ比较小的物质，如水、重水以及主要含碳成分的石墨作为减速剂（或称慢化剂），使由裂变释放出来的能量很大的快速中子慢化，直到中子能量减少到和在普通物质中原子热运动那样小的能量。
这时中子的运动速度很慢，它与堆中核燃料铀235原子核相碰引起裂变的几率比较大。
大约铀核裂变后产生的快中子与普通水相碰18次就可以慢化到热能中子程度，普通水也称轻水，作慢化剂效率不如重水效率高，但轻水非常便宜，因而经常被采用。
重水它本身吸收中子的截面小（即直接吃掉中子的机会小），慢化效率又很高，但它的价格较贵。
在热中子堆中，一般使用的核燃料大都是含铀235仅2～4％的低浓缩铀，由于水（包括重水）不仅可以做慢化剂，还可以同时兼作载热剂，让水通过堆的活性区，不停循环，直接可以把裂变时释放的能量热能携带出来。
而水的载热效率很高，所以这样堆芯可以做得小。
堆的其他设备加压力壳等均可以相应做得小一些，大大减轻了工艺制造上的麻烦。
在堆芯中既充当减速剂作用，又担任循环载热剂作用的水，可以处于两种工作状态。
一种是让水处于高温沸腾状态，称高温沸水堆。
它只要一次回路把热能取出，热能利用率高，设备简化，但防护措施比较复杂。
另一种是采用二次回路，使经过堆芯的水处于一百几十个大气压、几百度高温但并不沸腾的情况下工作，这种堆回路设备复杂，但较安全可靠。
热中子堆还常用另一种堆型，即用石墨作慢化剂，用CO2作载热剂的石墨气冷堆。
它是把石墨加工成某种蜂窝状特定结构，让铀燃料做成棒状，分别置于石墨当中。
CO2气体通过石墨空隙或孔道载热。
它是一种非均匀反应堆。
2．快中子堆，也称快堆。
它是让裂变后产生的快中子不经任何慢化，直接与核燃料中铀235以及大量的铀238起链式裂变反应，这样就可以充分利用铀239这种核燃料。
这种堆体积可以做得很小，单位体积内功率密度高，可以用远比水热容量高的金属钠作载热剂。
由于快堆中铀238直接吸收大量快中子，可以变成铀239，此后铀239经过两次β衰变，可以变成钚239。
钚239是极好的核燃料，因此快堆的运行过程在消耗核燃料铀的同时，又会产生出新的核燃
料钚，这当然是极为可取的一种核能利用方案。
但快堆需要较纯的核燃料，而且控制问题复杂，制造工艺要求苛刻。
目前法国的“凤凰”堆就属这种堆型，在技术上居世界的前列。
3．其他堆型。
反应堆还有很多堆型，譬如：砾石床堆，它象一个煤球炉，把核燃料和一定数量的慢化剂混合，做成象煤球大小的陶瓷燃料小球，堆到一定体积，即堆到链式反应的临界状态，使裂变反应连续不断进行，释放出大量能量。
当链式反应过程中，中子的增殖系数减少到一定程度，经过充分反应，即铀235燃料小球消耗到一定程度，让它从堆的底部小洞漏下取出。
堆的上部再添加新的核燃料小球，使链式反应继续维持下去。
近年来，美国也有人研究熔盐式堆型。
把核燃料预先配制成含铀、锂、铍等氟化物的高温液体，与减速剂均匀混和。
核燃料不断在管道上起链式反应，液体核燃料也不断循环，利用二次回路把裂变反应释放的热能取出供发电。
这样设计可以免去核燃料棒的精密加工麻烦，而且经长期运行后，废燃料可以经另一回路直接流出来，加以后处理，提取核燃料在燃烧过程中再生的新核燃料棗钚等。
这种设计方案，看来很理想，但工艺问题非常复杂，困难很多，目前仅仅是试验阶段。
（三）高压轻水堆工作原理
核电站的堆型是各种各样，现在就较常见的高压轻水堆情况作进一步介绍。
图9-1 核电站原理
高压轻水堆是目前核电站建设技术比较成熟的一个堆型。
它利用普通水做慢化剂兼载热剂。
核燃料棒是利用稍稍加浓到 2～4％的低浓缩铀做成一根根铀棒，再把每二、三百根这样的铀棒，按一定的物理要求组成为一组组件。
这样几十或者一百多组的组件，组成结构极精密的反应堆中的活性区，在活性区下部通以二、三百个左右大气压的大流量普通水，高速地从组件中燃料棒间隙通过，带走裂变释放的热能。
为了确保在大功率高效率的条件下运行
安全，整个反应堆置于一个非常坚固的、特制的耐高压大钢筒里，另外在钢筒外还设有安全保护的钢筋混凝土和一系列耐高温高压的热力设备与电气设备。
核电站建设既包括极其精密的核燃料组件加工制造，也包括规模十分庞大的堆主体重好几百吨、耐高压的压力壳制造，以及许多超高压大流量大水泵的研制和种种耐高辐射、耐腐蚀、远距离安全监察监测遥控系统。
所以，核电站的建造反映了一个国家核工艺技术、精密机械制造、冶金锻造、电气设备制造等多方面综合的工业水平。
我们相信，在优越的社会主义制度条件下，有党的领导，我们一定会在不远的时间里看到这样的核电站为祖国大地送来光和热，让核技术和我们每个人的生活紧紧相连。
谈到这里，可能读者还有一个问题没解决，即核电站安全可靠吗，会不会爆炸？所以我们再说说核电站的安全问题。
首先是放射性辐射问题，这点完全可以放心。
真正起裂变链式反应的堆主体仅仅有一间小房间那样大小，它处于一层又一层的装置密闭包围之中，射线是跑不到外头来的。
正象柴火总是在灶膛里燃烧，你隔了几间房间不可能感到灶里的火对你的影响。
至于极其微量的一点废气排空，老早被大气稀释了，就象一个大水池，放进几粒盐再均匀拌和之后，如果再从这池里取一碗水喝，那无论如何也尝不出咸味道来的。
堆芯会不会失去控制，超过临界状态爆炸？这也是不可能的。
一系列多种措施可以确保在任何情况下运行安全。
而实际上国际核电站建造数量已超过二百座，运行时间长的已有二十余年历史，尚未发现有此类事故发生，所以核电站安全性是比较可靠的。
物理鲁科选修35同步测控：第四章第4节核能的利用与环境保护 含解析
同步测控
我夯基，我达标
1._________年_________月_________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.
答案：1964 10 16
2.原子弹的结构有_________和_________两种，爆炸时都要使裂变物质达到_________，以形成_________反应.
答案：枪式 内爆式 临界体积 链式
3.在核反应堆中，石墨的作用是_________；镉棒的作用是_________；水泥防护层的作用是_________.
答案：减速剂 控制链式反应速度 安全壳
4.链式反应就是一个重核吸收一个中子后发生裂变时，分裂成两个_________核，同时释放若干个_________，如果这些中子再引起其他重核的裂变，就可以使这种_________不断地进行下去，这种反应叫重核裂变的链式反应.
答案：中等质量 中子 裂变
5.1964年至1967年我国第一颗原子弹和第一颗氢弹相继试验成功.1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委隆重表彰为研制“两弹一星”作出杰出贡献的科学家.下列核反应方程中属于“两弹”的基本反应方程式是( )
A.U 23892→Th 23490+He 42
B.N 147+He 42→O 178+H 11
C.U 23592+n 10→Sr 9038Sr+Xe 13654+10n 10
D.H 12+H 31→He 42+n 10
解析：原子弹的原理是重核的裂变，而氢弹的原理是轻核的聚变，反应的方程式就是C 、
D.
答案：CD。
高中物理核能核能的利用与环境保护裂变与链式反应素材鲁科选修
裂变与链式反应谈论能源命题都可以由二十世纪最杰出的科学家爱因斯坦的著名方程式E＝mc2谈起。
这个简明方程揭示，自然界最重要的规律就是任何物质的一定质量是和它具有的一定能量相联系。
质量和能量是反映物质属性的两个物理量，质量与能量不是各自不相干的而是相互紧密联系着的，或者说一定的质量是和一定的能量相当。
这里c是代表光速，其数值约等于每秒 300，000公里，E是静止物体所含的能量， m是它的质量，图8-1 爱因斯坦质量m所具有的能量等于这质量乘以光速的平方。
这就是说，普通一个具有一定质量的物体，它都具有非常大的能量，譬如说任何具有一克质量的物体它都具有很大数量的能量，它大约相当具有2500万度的电能。
但是为什么我们通常看不到普通的物质放出这样巨大的能量呢？这是因为在通常的物理、化学、生物的变化中，甚至在极其剧烈的变化中如木材、煤、汽油的燃烧时，它们质量几乎没有发生任何变化，不过它们大都从固态变成气态，如变成二氧化碳跑到空气中去，当然在燃烧这些燃料时我们可以得到不少能量。
根据质能相当原理，那末被燃烧的物体必定亏损掉一点质量，通过计算表明，燃烧一吨煤，如果我们能够把生成的二氧化碳质量和燃烧前的煤加上燃烧时消耗空气中氧的质量作比较，则可以发现燃烧过程将会失去0.000028克的质量。
对这种现象的解释，爱因斯坦曾作过一个生动的比喻：“只要没有向外放出能量，能量就观察不到。
这好比一个非常有钱的人，如果他从来不花费也不给别人一分钱，那末就没有谁能说出他有多少财产。
”所以说，要发生非常大的能量变化，只能在质量发生比较大变化的情况下才能产生。
那末发生质量稍微大点的变化情况应在那里去找呢？前面煤的燃烧表明普通的化学反应过程质量的变化是微乎其微，这是因为化学反应只牵涉到某些原子中的电子轨道变化，它们的总质量几乎不会发生什么可觉察的变化，但它们这些无足轻重的变化，客观上已经提供了不少的能量。
对一个原子来说，它百分之九十九点九的质量是集中在原子核当中，显而易见，只能在原子核发生变化时才能提供大的质量变化。
物理：鲁科版 选修3-5 第4章 核能 (课件)
U 235 92
1 0
n
141 56
Ba+
92 36
Kr+3
1 0
n
1kg 铀235
巨大的核能
2000t＝2×106kg煤
四、裂变的应用：反应堆与核电站
• 核反应堆的结构和基本原理
– 石墨堆、重水堆、轻水堆 – 压水堆（秦山二期、大亚湾二期） – 沸水堆（压力小、安全性高、体积大。秦山三
千瓦增加到3600万千瓦，从目前的占全国电力 装机总容量的2.3％提升到4％。
四、裂变的应用：原子弹 中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
可怕的美丽
可怕的美丽
原子弹之父奥本海默在核爆观测 站里感到十分震惊，他想起了印 度一首古诗
漫天奇光异彩 有如圣灵逞威 只有一千个太阳 才能与其争辉 我是死神 我是世界的毁灭者
– 原子核的结合能： 核子结合成原子核 所释放的能量。
– 平均结合能：是指 核子结合成原子核 时每个核子平均放 出的能量，也是把 原子核重新分解成 自由核子时每个核 子平均吸收的能量。
一、核力与核能
• 质能方程与质量
亏损
核子平均质量
– E＝mc2
– △E＝ △mc2
D
– 实验发现，任何一个原子
E
核的质量总是小球组成它
1 0
n+17.6MeV
五、轻核的聚变 发生核聚变的基本条件是
1、必须让轻核的距离非常接近
需要克服极大的库仑斥力
2、必须让轻核具有很大的动能
1015 m
Ek1
Ek 2
五、轻核的聚变 如何让核子具有如此大的动能？
高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 原子能在交通上的应用素材 鲁科版选修35
原子能在交通上的应用《西游记》中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。
这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。
原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。
所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。
而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。
利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。
原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。
（一）航海汽核潜艇我们对它早就不陌生。
美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。
一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充图9-2 核潜艇分燃烧才行。
所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。
而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。
除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。
它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。
1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。
它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。
近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。
鲁科版高二选修3-5课件：第4章_第3节、第4节_核能的利用与环境保护
【解析】
3 1
H＋
2 1
H―→
4 2
He＋
1 0
n是轻核聚变反应，A正确，B错误；
235 92
U＋
1 0
n―→
144 56
Ba＋
89 36
Kr＋3
1 0
n和
235 92
U＋
1 0
n―→
140 54
Xe＋
94 38
Sr＋2
1 0
n均为重核裂变反应，C正
确，D错误；
1 0
n＋
6 3
Li―→
4 2
He＋
【解析】 聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二 者无直接关系，故A错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错．核聚变 反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大 于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C、D正确，现在已经能实现 裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，E正 确．
Байду номын сангаас
知识脉络
轻核聚变与可控热核聚变反应
[先填空] 1．轻核聚变 采用轻核 聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称 为轻核聚变． 2．太阳内部核聚变的反应方程 21H＋31H→ 42He＋10n .
3．核子聚变的条件 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． 4．物质第四态——等离子态 高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变． 5．约束等离子体的三种方式 引力约束、 磁约束 、惯性约束．
[核心点击] 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，有一 种办法就是把它们加热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．
4..4《核能的利用与环境保护》教案(鲁科版选修3-5)
4． 4 《核能的利用与环境保护》教案【学习目标】1、认识核反响堆和核电站的基来源理2、认识核能利用的优势、危害及其防备举措【学习重点】反响堆和核电站的基来源理【知识重点】一、核电站核反响堆是核电站的心脏．它是人工控制链式反响的装置，能够使核能较缓和的开释出来．核电站的工作模式：是以核反响堆为能源，产生高压蒸汽，代替发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基真同样．如课本图所示，它主要由裂变反响堆、第一回路系统、第二回路系统及其余协助系统构成．4JzUR98iFE 二、核武器原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反响装置。
氢弹：是一种靠惯性拘束、不需要人工控制而实现聚变的反响装置，它利用23H快速地聚变为4H，产生比原子弹更加激烈的爆炸。
4JzUR98iFE1H和1三、核能的优势与危害核能作为一种新能源，有很优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多。
核能的利用也存在一些危害：核燃料使用后会存留必定量拥有高放射性的核废料；核武器的威力巨大，不单能摧毁地球上的生命，还可以使生态环境遇到严重损坏。
4JzUR98iFE【典型例题】例题 1：秦山核电站第一期工程装机容量为30 万 kW ，假如 1g 铀 235 完整裂变时产生的能量为 8.2 1010 J，而且假定产生的能量都变为了电能，那么，每年要耗费多少铀 235?<一年按 365 天计算）4JzUR98iFE学生回答：解：核电站每日的发电量为 W=Pt=3× 108× 24× 3600×1013，每年的发电量 W 总×1015而铀完整裂变时产生的能量为：J×10J 1 g10J因此，每年耗费的铀的量为：m 10151.15 102kg 4JzUR98iFE10kg10例题 2：水<包含海水）是将来的“煤炭”，能从根本上解决人类能源问题。
这是指<填“氢能”、“核能”、“氢能和核能”）和利用。
高中物理第4章核能第4节核能的利用与环境保护核爆炸的和平利用素材鲁科版选修
核爆炸的和平利用强烈的核爆炸被超级大国作为进行核讹诈政策服务，因而“核爆炸”一词听起来似乎令人生畏。
但是，核爆炸也完全可以为和平建设服务。
原子爆炸可以使大规模的治山治水的工程得以加速进行，据计算，一公斤核燃料爆炸，就可以搬走相当于二十五万人工一天劳动开挖的土方。
美国早在多年以前就计划过“犁头”规划，准备爆炸几颗核弹头来改造自然。
核爆炸形成的巨大土方，可以形成很大堆积，几分钟时间能在一条大的河流上形成一个土方大坝来改变河流方向。
譬如说，在我国西北地区有不少浩瀚无边的大沙漠，就因终年缺水成为不毛之地，如新疆塔里木盆地，有图9-8 核爆炸的和平利用一块面积接近江、浙两省面积的大沙漠，叫塔克拉玛干大沙漠，一条很大的塔里木河就绕着它白白流去。
如果能用核爆炸在塔里木河中段筑起大坝，迫使河流改道流入大沙漠中部。
同时再纵横交错开出二条大运河，把塔里木盆地北部的塔里木河，与南部的克里雅河相沟通，那么赤地千里的沙漠将变成无垠的绿洲。
我们还可以按自己的意志，在需要蓄水的地区，用核爆炸开挖出一系列直径从几百公尺到几千公尺大小不等的人工湖泊，把祖国的西北大地点缀起来。
这样，西北地区的气候将发生很大变化，也许会变得温暖宜人，风调雨顺，遍地郁郁葱葱。
正如毛主席在一九三五年长征路过昆仑山时写下的《念奴娇·昆仑》那样：“而今我谓昆仑：不要这高，不要这多雪。
安得倚天抽宝剑，把汝裁为三截？一截遗欧，一截赠美，一截还东国。
太平世界，环球同此凉热”。
我国的西南有世界上最高的青藏高原，横亘着连绵不断的高山峻岭，将来也可以考虑用核爆炸在沉睡千年的深山里，炸开一个个通道，更紧密地把西藏和祖国东部地区联系在一起。
核爆炸更可以应用在石油的开采和大型铁矿、煤矿露天开采的剥离土方工作上。
有些油田地质比较特殊，岩层过于紧密，含油层处于较深的地层下，开采比较困难，如果采用适当的地下核爆炸，压碎岩层结构，增加岩层的空隙度，就可以使深部高压的含油层、含气层，逐步通过岩层缝隙跑到上部，这样只要钻探一些浅井即可采油。
高中物理第4章核能第4节核能的利用与环境保护受控热核反应素材鲁科版选修
受控热核反应受控热核反应是一门新兴的学科，至今才有二十余年历史。
由于工农业生产的发展，能源的需要急剧上升。
据统计世界能源的需要每八年翻一番。
受控热核反应是核能利用的第二条途径，有可能是一个新的廉价的巨大能源，因此这门学科受到各国的普遍重视，发展极为迅速。
1．受控热核反应棗未来世界能源问题比较彻底解决的途径。
虽然重核的裂变为人类提供了一个崭新的能源，但仍然有它一定的局限性，譬如核燃料工艺复杂、费用昂贵、使用之后废物综合处理困难等都还一时难以解决，而且铀燃料的储量毕竟还是有限，所以还得寻找一项更为理想的核能利用途径。
热核反应所需要的原料是重氢（即氘），它含在普通的水中，而水则遍布地球的五洲四大洋。
据估计，仅从海水中提取的氘，就可供人类使用200亿年，因此可以说，受控热核反应这个新的核能源是取之不尽、用之不竭，是解决未来世界能源的一个重要方向。
除了原料来源极端丰富之外，热核反应还具有如下几个独特优点：它单位质量释放能量比裂变反应释放能量高3～4倍；热核反应之后最后生成物是α粒子与中子，放射性少，放射性寿命短，比裂变过程要干净得多；从热核反应中得到大量的中子，它可以用来生产核武器中的重要原料“钚”。
所以受控热核反应的研制具有很大的政治意义、经济意义和军事意义。
2．受控热核反应的简单原理受控热核反应是利用元素周期表中最轻的元素氘（或者氚）聚变反应成紧密束缚的较重的氦原子核，从而释放出巨大图8-5 质量亏损示意的能量。
这能量是由于聚变反应前后发生了质量亏损，即氘和氚聚合成氦（He4）加中子，会出现后者比前者质量减少的现象。
根据爱因斯坦公式E＝mc2，亏损掉的质量就会以和它相当的能量形式释放出来。
但由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间有很强的静电排斥力，只有当我们使它们之间用极高的速度相互碰撞，才会发生数量可观的聚变反应。
这速度据计算，差不多需要每秒几百公里至一千公里。
用人为的办法实现这个反应目前已经在氢弹爆炸中做到了，但它是非可控的，其释放的能量难于利用。
高中物理第4章核能第4节核能的利用与环境保护原子能发电素材鲁科版选修
原子能发电（一）核电站的特殊优点随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。
据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。
目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。
据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。
所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。
原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。
目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。
尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。
核电站究竟有什么独特的优点呢？我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。
核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。
我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。
此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。
当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。
核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。
一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。
例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。
一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。
即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。
象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。
高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护知识导航素材 鲁科版
第4节 核能的利用与环境保护思维激活核反应中的反应能是怎样的？提示：在核反应过程中，体系的总质量和总能量保持不变，但是，静止质量和总动能是变化的，我们把反应后的总动能与反应前的总动能之差称为反应能，它是反应过程中放出或吸收的净能量.反应能等于反应后系统的静止质量之差对应的能量，若反应后系统的静止质量比反应前减少了，则其总动能比反应前一定增加了，故为放能反应；反之为吸能反应. 自主整理1.目前核电站的反应堆以_________为燃料，发电成本低于煤电.2.原子弹是一种没有减速剂、不加控制的_________装置.一种装置称为_________装置；另一种方法称为_________.3.氢弹是一种靠_________不需人工控制而实现聚变的反应装置.在弹体内装有热核材料_________、_________以及_________.当普通炸药爆炸时，铀块或钚块迅速合为一体，使其体积超过_________而发生原子弹爆炸.爆炸的高温高压使氘、氚等轻核发生_________，产生很高的能量直至再次发生更大规模的爆炸.高手笔记原子弹 原子弹就是设法使铀235的体积超过它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内，释放出大量的核能，发生猛烈爆炸.氢弹 氢弹则是利用原子弹爆炸产生的热核反应提供所需温度，使氘和氘发生聚变，从而引起新的爆炸.中子弹 中子弹是以氘和氘进行热核反应为主要能量来源，以爆炸中产生大量的高能中子作为主要杀伤因素的一种小当量战术核武器.中子弹实际上是一种经过改进的加强辐射的小型氢弹，与氢弹不同的是它要求裂变初级的裂变当量不能大(一般为几百到上千吨TNT 当量). 自1945年世界上成功地进行了第一次核试验以来，由于核武器具有巨大的威力，得到了各国政府的高度重视，在国际政治、军事、外交等各方面起着极其重要的作用. 名师解惑1.氢弹爆炸的原理剖析：氢弹是利用轻核聚变制成的爆炸武器，其构造如图4-4-1所示.聚变材料是氘和氚,产生聚变反应的高温条件是原子弹的爆炸提供的.当引爆装置引起普通炸药爆炸时，将铀块迅速合拢产生原子弹爆炸，由此产生的高温使氘和氚迅速、剧烈地进行生成氦的热核反应，引起氢弹的爆炸.氢弹的炸药氘和氚没有临界体积的限制，可以做得很大.但氚是不稳定的核素，其半衰期为12.5年，所以不能久存.氢弹常用氘化锂和氚化锂作原料，在原子炸药爆炸时产生的大量中子轰击锂核可以产生氚，以补充氚的供应.氢弹爆炸时完成以下反应：图4-4-1n 1+Li 63→H 31+He 42+4.8 MeV H 31+H 12→52He→He 42+n 10+17.6 MeV2.太阳能剖析：太阳每时每刻都在向太空辐射着巨大的能量，其辐射功率大约是1026 J·s -1.这些能量来自太阳上持续进行的热核反应.目前，人们认为太阳上主要存在着两种聚变过程：一种是所谓的碳—氮循环，其具体反应过程如下：C 126+H 11→N 137+γ N 137→C 136+β++ν C 136+H 11→N 147+γ N 147+H 11→O 158+γ O 158→N 157+β++ν N 157+H 11→C 126+He 42总的循环结果是把四个质子聚合成了一个He 42，同时放出了两个β+粒子、两个中微子和大约26 MeV 的能量.在这个循环中碳和氮数量不变，只起媒介作用.另一种是氢—氢链式反应，具体反应如下：H 11+H 11→H 12+β++ν H 12+H 11→He 32+γ He 32+He 32→He 42+H 112这些反应总的结果与上面碳—氮循环反应相同.根据目前的数据，氢—氢链式反应在太阳中是主要的反应过程，产生的能量约占总能量的96%.讲练互动【例题】核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子.若已知氘原子的质量为2.014 1 u ，氚原子的质量为3.016 0 u ，氦原子的质量为4.002 6 u ，中子的质量为1.008 7 u ，1 u=1.66×10-27 kg.(1)写出氘和氚聚合的反应方程.(2)试计算这个核反应释放出来的能量.(3)若建一座功率为3.0×105 kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？(一年按3.2×107 s 计算，光速c=3.00×108 m/s ，结果取两位有效数字)解析：(1)H 12+H 31→He 42+n 10.(2)ΔE=Δmc 2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×32×1016J=2.8×10-12 J. (3)M=EPt 2×2.014 1×1.66×10-27 kg=122778108.21066.10141.2102.31032--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯kg=23 kg. 答案：(1)H 12+H 31→He 42+n 10(2)2.8×10-12 J (3)23 kg变式训练海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源.两个氘核的核反应如下：H 12+H 12→He 32+n 10，其中氘核质量为2.013 6 u ，氦核质量为3.015 0 u ，中子质量为1.008 7u.求：(1)核反应中释放的核能.(2)在两个氘核以相等的动能0.35 MeV 进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能.解析：(1)由ΔE=Δmc 2得：释放的核能ΔE=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u×931.5 MeV/u=3.26 MeV.(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0=m He v He +m n v n ① 又因为反应前后总能量守恒，即21m He v He 2+21m n v n 2=ΔE+2E k0② 因为m He ∶m n =3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：31=n He v v 把这两个关系代入②式得：ΔE+2E k0=4×21m He v He 2=4E kHe 即(3.26+2×0.35) MeV=4E kHe 所以E kHe =0.99 MeVE kn =3E kHe =2.97 MeV.答案：(1)3.26 MeV(2)E kHe =0.99 MeV ，E kn =2.97 MeV体验探究【问题】为什么国际社会不允许无核武器国家获取或制造核武器？导思：主要从放射性物质对人类、自然界的危害来考虑.探究：核武器主要原料是U 23592这一放射性物质，还包括U 23892和Pu 23994以及其他高放射性物质.核武器爆炸后在相当长的时间内生物不能生存，甚至致癌，或导致后代畸形.造成大面积的地区污染，给人类和自然界带来恐慌和动荡，所以要禁止核扩散.。