高中物理 第十九章 原子核 7 核聚变名师导航学案 新人教版选修3-5

7 核聚变名师导航知识梳理1.热核反应的优越性（1）相同质量的核燃料，热核反应所释放的能量_.（2）热核反应产物基本上是稳定的氦核，生成的_易处理.（3）热核反应所用的燃料氘，地球上_.2.聚变：把_结合成质量数_的核，释放核能的反应，称为聚变.3.热核反应：_反应又叫热核反应，热核反应一旦发生就_外界供给能量，靠自身产生的热就可使反应进行下去.疑难突破 对受控热核反应的理解剖析：要实现受控热核反应，首先就要加热聚变物质，达到几千万度乃至上亿度的高温，使热核反应能够发生.这可以用输入大功率的电磁波、注入高能量的中性粒子或带电粒子束、绝热压缩、欧姆加热(在电阻性等离子体中由电流耗散的焦耳热)等方法来解决.其次是要把一定密度的高温等离子体约束在一定的空间，使其不致扩散，以便产生足够数量的聚变反应，来抵偿加热过程中消耗的能量.只有这样，才能达到“点火”的目的，使热核反应持续不断地进行下去. 怎样来约束等离子体呢？用普通的容器是不行的，因为没有任何一种容器能承受几千万度的高温.目前常一种是用磁场来约束.我们知道，带电粒子在磁场中或者是沿磁力线运动，或者是绕磁力线旋转，磁场越强，带电粒子旋转的半径越小.所以强磁场能起约束等离子体的作用.目前，很有前途的一种磁约束装置托卡马克装置，就是利用磁场把聚变物质约束在环形室内.它的基本原理是，把盛有聚变物质的金属环形室装在变压器上做次级线圈，初级线圈跟充电的电容器连接.当电容器通过初级线圈放电时，环形室中就有大电流的气体脉冲放电，放电时还产生环绕电流的磁场，使等离子体被压缩到环形室的中心部分.压缩作用和电流的欧姆热都使等离子体的温度升高，环形室的外面还绕有线圈，放电时有电流通过，产生环向磁场(图19-7-1).但是，由于高温等离子体很不稳定，而且能够强烈地向外辐射能量，所以要把它们约束较长的时间又能保持高温，是很不容易的.图19-7-1问题探究问题：聚变发生的初始条件是什么？探究：要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10-15 m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能，就要给核加热，使物质达几百万摄氏度的高温.当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，原子核核外电子已经完全和原子脱离，成为等离子体.这时少部分原子核就有足够的动能克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中近到可发生聚变反应的距离发生核反应.探究结论：核聚变在反应刚开始时需要超高温条件，以增大原子核的动能.典题精讲【例题】以下说法正确的是（ ）A.聚变是裂变的逆反应B.如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C.聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然是吸收能量D.裂变与聚变均可释放巨大能量思路解析：A从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物与生成物全然不同.裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应.B既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反C诚然，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温提供能量.但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量.因此，总的说来，聚变反应还是释放热量，故D正确.答案：D知识导学 和上节学习的重核裂变一样，本节将学习轻核聚变也是核能释放的主要形式之一，而且核聚变时放出的能量往往裂变时放出很多倍.为什么会产生这样的效果？大家在学习的过程中要注意思考这一问题，并尝试用本节知识去解释. 在学习本节的过程中要对原子核裂变和聚变的规律进行分析和总结，对比两者之间的异同，尤其是它们各自的反应条件.同时还要对受控热核反应进行一个全面的了解.疑难导析 对等离子体的另一种约束方法，是利用聚变物质的惯性进行约束.先把氘、氚制成液体或固体的靶丸(半径0.1 mm到几毫米)，用激光(或高能带电粒子)从四面八方进行照射(图1972)，在10-9 s的时间内把靶丸加热到1亿度的高温，表层物质迅速气化，产生一个向心的压力，使球内物质密度增加1万倍，从而实现聚变反应.因为引爆的时间非常之短，聚变物质由于自身的惯性，还来不及扩散就产生了核反应，所以叫惯性约束.这种用激光引爆的热核反应跟氢弹一样难以控制，但由于每次参加热核反应的物质很少，所以可以用一连串的微型“聚爆”达到连续燃烧的目的.不过采用这种约束方法，目前达到的密度压缩还不够大，与理论上的点火条件，还有相当大的距离.图19-7-2 从目前情况来看，有实际应用价值的受控热核反应装置，可能要再过几十年才能实现.问题导思 聚变（1）定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变，聚变反应又叫热核反应.（2）聚变反应方程式： 应用实例：原子弹爆炸时，就能产生这样的高温，然后就可以引起核的聚变，氢弹就是根据这样的原理制成的.氢弹内部相当于还有一颗小原子弹.典题导考绿色通道：所有原子核均具有结合能，很轻的核结合能较高（较小负能），很重的核，平均每核子结合能也较高，而次轻核与中等质量核的每核子结合能较低（较大负能）.反应向低能态方向进行，应释放能量.正因为如此，裂变与聚变均释放能量.【典题变式】 下列说法中正确的是（ ）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的距离接近到10-15 m答案：BD3