1、197 核聚变 一、三维目标 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.通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力 5通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。 6认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同 学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。 二、自主学习 1聚变及其条件 两个轻核结合成 ，这样的反应叫做聚变。 思考：请同学们再看看比结合能曲线（图 19.5-3） ，想一
2、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？ 总结 （1 ）氢的聚变反应： 21H+21H 31H+11H+4 MeV、 21H+31H 42He+10n+17.6 MeV （2 ）释放能量： E MeV，平均每个核子释放能量 3 MeV 以上， 约为裂变反应释放能量的 3 4 倍 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？ 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 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
3、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。 （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 3.81026 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
4、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。 思考：氢弹爆炸原理是什么？ 课本图 19.7-1 是氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高 温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。 2可控热核反应 （1 ）聚变与裂变相比有很多优点 请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？ 例：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是 21H+31H 42He+10n，其中氘核的 质量：m D=2.014 102 u、氚核的质量：m T=3.016 050 u、氦核的质量：m =4.002 6
5、03 u、中 子的质量：m n=1.008 665 u、1u=1.660 610-27kg，e = 1.602 210-19C，请同学们求出该核 反应所释放出来的能量。 总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即 。 常见的聚变反应： 21H+21H 31He+11H+4MeV、 21H+31H 42He+10n+17.6 MeV。 在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反 应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表 面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。 总结：聚变与裂变相比，这是优点之二
6、， 即地球上聚变 燃料的储量丰富。如 1L 海水 中大约有 0.03g 氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧 300L 汽油。 聚变与裂变相比，优点之三，是轻核聚变反应更为 安全、清洁。 实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘 和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放 射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中 子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。 （2 ）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。EAST 全超导托卡马克实验装 置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通称为“人造太阳” ，能够像太阳 一
7、样给人类提供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的 EAST 全 超导非 圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。我国的科 学家就率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置，模拟太阳产生能量。 附： 1材料一 时间 人物 事件 20 年代 阿斯顿 指出：中等大小的原子核结合最紧密，核裂变或轻核聚变都会放出能量，核聚变放出的能量比裂变大许多 1920 年 爱丁顿 猜测：太阳的能量来自亚原子粒子的相互作用 1926 年 爱丁顿 指出：太阳总体积具有 2000 万度的高温和极高的密度。 1929 年 罗素 指出：太阳总体积的 60是氢气，如果太阳的能量真是依靠核反应的话，那么这种核反应只能是氢气的聚变。 1938 年 贝 特 证明：太阳的能量确实是靠氢气的聚变来维持的。 2材料二 事件 人物 事件 1933 年 科学家们 在实验 室中首次 观测到核聚变就是氘的聚变 1934 年 卢瑟福 用氘核去轰击氘靶产生了氚，发现氚聚变温度比氘更低。 1942 年 特勒 在探索制造原子弹的各种途径的讨论中提出了一个可怕的问题。 1944 年 费米 用氢的同位素氖和氛做燃料，只需五千万度就可以发生核聚变。 1945 年 美国 原子弹研制成功后，人们立即觉察到，可以利用裂变反应所产生的超高温来实现核聚变反应，这就是氢弹的原理。
