高中物理 第4章 波与粒子 第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护学业分层测评 鲁科版选修3-5

第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护 (建议用时：45分钟)学业达标1关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定多C聚变反应中粒子的平均结合能变大D聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变多E聚变反应过程中释放核能，故反应后质量减少【解析】在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则平均结合能一定增加，质量发生亏损，故C、E正确，D错误【答案】BCE2我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，正确说法正确的是() 【导学号：18850055】A这种装置中发生的核反应方程式是HHHenB由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4C核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同E可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电【解析】核反应方程为HHHen，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量Emc2(m1m2m3m4)c2，选项B错误，C正确；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电，故D错误，E正确【答案】ACE3太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应核反应方程是4HHe2X，这个核反应释放出大量核能已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是()A方程中的X表示中子(n)B方程中的X表示电子(e)C这个核反应中质量亏损m4m1m2D这个核反应中释放的核能E(4m1m22m3)c2E这个核反应过程中有两个质子转化为两个中子【解析】由质量数守恒和核电荷数守恒可知，方程中的X表示电子e，A错误，B正确；这个核反应过程中，生成物He中含有两个质子和两个中子，故四个质子中有两个转化为中子，同时放出两个正电子，E正确；该反应中质量亏损m4m1m22m3，释放的核能Emc2(4m1m22m3)c2，C错误，D正确【答案】BDE42006年9月28日，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1 000 s，温度超过1亿度，这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(2m1m3m4)c2D两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1m3m2)c2E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【解析】由核反应方程2HHeX知，X应为中子，释放的核能应为E(2m1m3m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D、E正确【答案】BDE5据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是() 【导学号：18850056】A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同E核燃烧的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多【解析】HHHen是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多，C、E正确【答案】ACE6(2016青岛二中检测)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有：(1)UnSrXekn；(2)HHHedn；关于这两个方程，下列说法正确的是()A方程(1)属于衰变B方程(1)属于重核裂变C方程(2)属于轻核聚变D方程(1)中k10，方程(2)中d1E方程(1)中k1，方程(2)中d10【解析】方程(1)属于重核裂变，方程(2)属于轻核聚变，故A错，B、C对据核反应中的质量数守恒和电荷数守恒，可求出k10，d1，故D对，E错【答案】BCD7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HCNQ1，HNCXQ2，方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核HHHeCNN质量/u1.007 83.016 64.002 612.000 013.005 715.000 1则可以推断X是_，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1_Q2.【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为He，式的质量亏损为m11.007 8 u12.000 0 u13.005 7 u0.002 1 u式的质量亏损为m21.007 8 u15.000 1 u12.000 0 u4.002 6 u0.005 3 u，所以m2m1根据质能方程Emc2可求解Q2Q1.【答案】He8如下一系列核反应是在恒星内部发生的：pCNNCepCNpNOONepNC其中p为质子，为粒子，e为正电子，为一种中微子已知质子的质量mp1.672 6481027 kg，粒子的质量m6.644 9291027 kg，正电子的质量me9.111031 kg，中微子的质量可忽略不计真空中的光速c3108 m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量. 【导学号：18850057】【解析】为求出系列反应完成后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p2e2.设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得Q(4mpm2me)c2代入数据可得Q3.951012 J.【答案】3.951012 J能力提升9如图431所示，托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera (真 空 室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词根据以上信息，下列判断中可能正确的是()图431A这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D这种装置是科学家设想的其中一种方案E该装置是利用聚变物质的惯性进行约束【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置是科学家设想的其中一种方案，另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束，故D对，E错【答案】ABD10我国自行设计并研制的“人造太阳”托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列该反应所进行的聚变过程是HHHen，反应原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(Li)的人工核转变得到(1)请把下列用中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：_n_H.(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.01023 mol1)(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.61013 J，求该核聚变过程中的质量亏损【解析】(1)核反应方程为：LinHeH.(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的Li也为mol，所以有2.01023个Li实现了核转变(3)根据爱因斯坦质能方程Emc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量E55.61013J2.81012 J，所以质量亏损为m kg3.11029 kg.【答案】(1)LiHe(2)2.01023个(3)3.11029 kg11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几年来，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 u1.661027 kg.(1)写出氘和氚聚变的反应方程；(2)试计算这个核反应释放出来的能量；(3)若建一座功率为3.0105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2107 s计算，光速c3.0108 m/s，结果取两位有效数字)【解析】(1)氘和氚聚变的反应方程为HHHen.(2)该反应过程的质量亏损m2.0141 u3.0160 u4.0026 u1.0087 u0.0188 u3.12081029 kg释放的核能Emc23.12081029(3108)2 J2.81012 J.(3)设每年要消耗的氘的质量为M，氘原子的质量为MD由能量守恒可得：EPt可得：M kg23 kg.【答案】(1)HHHen(2)2.81012 J(3)23 kg