資源簡介

第4節　核裂變和核聚變
1~7題每題7分，共49分
考點一　重核的裂變及鏈式反應
1.原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，在極短的時間內能夠釋放大量的核能，發生猛烈爆炸。下列核反應方程式中屬于原子彈爆炸的核反應方程式的是 (　　)
A.He
B.nSr+1n
C.HHe
D.HHen
2.(2023·山東省青島中學高二月考)鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是 (　　)
A.若鈾235的體積小于它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生
B.為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的中子
C.鎘棒也叫控制棒，用來調節中子數目以控制反應速度
D.能否發生鏈式反應與鈾塊的體積無關
3.(多選)(2023·汕頭市月考)月球儲藏大量可控核聚變理想燃料氦3()，2020年12月1日，我國嫦娥五號探測器成功著陸月面后開始“挖土”并成功帶回地面供科學研究。核聚變反應方程為HHe+X或HeHe+Y。下列說法正確的是 (　　)
A.X是中子
B.Y是正電子
C.核聚變過程發生質量虧損，釋放核能
D.比的原子核更穩定
4.(多選)如圖甲所示，2020年11月27日00時41分，華龍一號全球首堆中核集團福清核電5號機組首次并網成功。如圖乙所示是原子核的平均結合能與質量數的關系圖，下列說法正確的是 (　　)
甲
乙
A.核反應中，質量數守恒，電荷數守恒
B.華龍一號的原理是核聚變
C.原子核結合能越大，原子核越穩定
D.核裂變反應發生后，核子的平均質量減小
考點二　輕核聚變與可控熱核反應
5.2020年12月4日，我國自主設計建造的新一代“人造太陽”——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實現首次放電，標志著中國核聚變發展獲得重大突破。關于核聚變和核能，下列說法正確的是 (　　)
A.核聚變通常需要幾百萬開爾文以上的超高溫，又稱熱核反應
B.太陽輻射的能量來源于核聚變，核聚變又稱鏈式反應
C.一個氘核和一個氚核聚變的方程為：HHee
D.核子平均質量越大，原子核越穩定
6.(多選)中國“氫彈之父”于敏獲得2014年度國家最高科學技術獎。氫彈是利用原子彈爆炸的能量引發氫的同位素的聚變反應而瞬時釋放出巨大能量的核武器。下列有關氫彈爆炸可能出現的核反應及說法正確的是 (　　)
A.nKr+n
B.HHen
C.輕核聚變過程中無質量虧損
D.氫彈爆炸后不會產生放射性污染
7.大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發電。氘核聚變反應方程是HHen。已知的質量為2.013 6 u，的質量為3.015 0 u，的質量為1.008 7 u，1 u相當于931 MeV的能量。氘核聚變反應中釋放的核能約為 (　　)
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
8~11題每題9分，12題15分，共51分
8.(多選)太陽的能量來源是輕核的聚變，太陽中存在的主要元素是氫，核聚變反應可以看作是4個氫核()結合成1個氦核同時放出2個正電子。下表中列出了部分粒子的質量(取1 u=×10-26 kg，c=3.0×108 m/s)，以下說法正確的是 (　　)
粒子名稱 質子(p) α粒子 正電子(e)
質量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
A.核反應方程為HHe+e
B.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為0.026 6 kg
C.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為4.43×10-29 kg
D.聚變反應過程中釋放的能量約為4.0×10-12 J
9.(多選)(2023·福建師大二附中高二期末)太陽能發光并且輻射出巨大的能量是因為內部核聚變的結果。氘、氚的核聚變反應方程為：HHe+X，聚變反應過程中質量虧損約為0.018 9 u，已知氘核、氦核的比結合能分別是：1.09 MeV、7.03 MeV，1 u=931 MeV/c2，下列說法正確的是(　　)
A.X為正電子
B.聚變反應中釋放的核能約為17.6 MeV
C.氚核的結合能為43.54 MeV
D.氚核的比結合能2.78 MeV
10.(2020·全國卷Ⅱ)氘核H可通過一系列聚變反應釋放能量，其總效果可用反應式H→He+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個，若全都發生聚變反應，其釋放的能量與質量為M的標準煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1 kg標準煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107 J，1 MeV= 1.6×10-13 J，則M約為 (　　)
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
11.(2023·大連市高二期中)傳染病的傳播過程十分復雜，但是可以構建最簡單的傳播模型來描述，這個最簡模型可稱為鏈式模型，類似于核裂變鏈式反應模型，鈾核裂變的核反應方程為nKr+n，裂變后產生的中子能繼續發生反應的次數稱為鏈式反應的“傳染系數”，下列說法正確的是 (　　)
A.從鈾核裂變的核反應方程看，“傳染系數”為2
B.核反應堆中通過鎘棒吸收中子降低“傳染系數”
C.鏈式反應的臨界值對應的實際“傳染系數”為3
D.核反應堆中的實際“傳染系數”與鈾濃度無關
12.(15分)(2023·南充市高二期末)已知1 L海水中可提取0.03 g的氘()，氘核和氦核()的質量分別為2.014 1 u和4.002 6 u，1 u=931.5 MeV，氘的摩爾質量為2 g/mol，NA=6.02×1023 mol-1。求：
(1)(9分)1 L海水中的氘全部聚變為氦，能釋放出多少MeV的能量
(2)(6分)1 kg無煙煤完全燃燒釋放的能量為3.35×107 J，則1 L海水中的氘全部聚變所放出的能量相當于多少kg的無煙煤完全燃燒所釋放的能量
答案精析
1.B
2.C　[要使鈾核裂變產生鏈式反應，鈾塊的體積必須大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量；裂變反應中產生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發新的裂變；鎘棒吸收中子的能力很強，在核反應中用來調節中子數目以控制反應速度，所以C正確，A、B、D錯誤.]
3.AC　[根據核反應的質量數守恒和電荷數守恒可知，X的質量數為1，電荷數為0，則X為中子；Y的質量數為1，電荷數為1，則Y為質子，A正確，B錯誤；核聚變過程發生質量虧損，釋放核能，C正確；因反應放出核能，則比的原子核更穩定，D錯誤。]
4.AD　[核反應遵守質量數守恒和電荷數守恒，故A正確；華龍一號的原理是重核的裂變反應，故B錯誤；原子核的平均結合能越大，原子核越穩定，故C錯誤；核裂變反應發生后，會釋放能量，有質量損失，所以核子的平均質量減小，故D正確。]
5.A　[當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時接近到10-15 m而發生核聚變，因此，核聚變又叫熱核反應，故A正確；太陽輻射的能量來源于核聚變，而鏈式反應發生在核裂變中，故B錯誤；該方程不符合質量數守恒和電荷數守恒，故C錯誤；原子核中核子平均質量越小，比結合能越大，原子核越穩定，故D錯誤。]
6.AB　[氫彈是利用原子彈爆炸的能量引發氫的同位素的聚變反應而瞬時釋放出巨大能量的核武器，A、B正確；聚變反應和裂變反應都有質量虧損，氫彈爆炸時存在核裂變反應，會產生放射性污染，C、D錯誤。]
7.B　[在核反應中，反應前物質的質量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反應后物質的質量m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
質量虧損Δm=m1-m2=0.003 5 u，
則氘核聚變釋放的核能為
E=931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，故選B。]
8.ACD　[由核反應的質量數守恒及電荷數守恒得HHe+e，故A正確；核反應中的質量虧損為Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u≈4.43×10-29 kg，故C正確，B錯誤；由質能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3.0×108)2 J≈4.0×10-12 J，故D正確。]
9.BD　[聚變反應前后遵循質量數守恒和電荷數守恒，可知X的質量數為1，電荷數為0，即X為中子，故A錯誤；根據質能方程，核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=0.018 9×931 MeV≈17.6 MeV，故B正確；由能量守恒定律，可得氚核的結合能為ΔE1= MeV=8.34 MeV，則氚核的比結合能為ΔE1'= MeV=2.78 MeV，故C錯誤，D正確。]
10.C　[根據核反應方程式，6個氘核聚變反應可釋放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反應釋放的能量為E=×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV≈1.15×1010 J，則相當于燃燒的標準煤的質量為M= kg≈400 kg，故選C。]
11.B　[核反應遵循電荷數守恒及質量數守恒，可得R=3，即從鈾核裂變的核反應方程看“傳染系數”為3，選項A錯誤；核反應堆中通過鎘棒吸收中子，減少轟擊鈾核的中子數，最終起到降低實際“傳染系數”的作用，選項B正確；在鏈式反應中，當實際“傳染系數”R≥1時，反應才能持續下去，當實際“傳染系數”R<1時，反應將趨于停滯，即R=1是鏈式反應持續下去的臨界值，選項C錯誤；核反應堆中調整鈾濃度來控制實際“傳染系數”，選項D錯誤。]
12.(1)1.077×1023 MeV　(2)514 kg
解析　(1)2個氘聚變為氦釋放的核能為
ΔE=(2×2.014 1-4.002 6)×931.5 MeV=23.846 4 MeV
0.03 g的氘中含有氘核的數目為
NH=NA=×6.02×1023=9.03×1021，
所以1 L海水中氘全部聚變為氦，釋放能量為
E=ΔE≈1.077×1023 MeV=1.723 2×1010 J
(2)釋放1.723 2×1010 J的能量需要燃燒無煙煤的質量為m'= kg≈514 kg。第4節　核裂變和核聚變
[學習目標]　1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和聚變的條件(重點)。2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能(重難點)。3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
一、重核裂變、鏈式反應
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。
巨大的核能是從哪里來的？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.重核的裂變
(1)用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質量相近的兩部分，并釋放出　　　　，這種核反應過程稱為核裂變。
一種常見的核反應方程
nKr+　　　　。
(2)在不同的裂變反應中，核釋放的能量也不同。如果按照一個核裂變時釋放200 MeV的能量來估算，1 kg的全部裂變釋放出的核能相當于兩千余噸標準煤完全燃燒釋放的能量。
2.鏈式反應
(1)定義：在核裂變釋放出巨大能量的同時，平均每次可以放出　　　　個中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個繼續轟擊，使之發生裂變，就能產生第2代中子，這樣不斷繼續下去，中子會不斷　　　　，裂變反應就會不斷加強，就形成了裂變的鏈式反應。
(2)能夠發生鏈式反應的鈾塊的　　　　體積稱為臨界體積。
1.如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
(2)鈾核裂變的產物(核反應方程)是唯一的嗎？
(3)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2.總結鏈式反應的條件。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(1)核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量。(　　)
(2)中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應。(　　)
(3)重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少。(　　)
(4)由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能。(　　)
例1　2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機組首次并網成功，標志著我國正式進入核電技術先進國家行列。“華龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為n→XSr+n，則下列敘述正確的是(　　)
A.裂變后粒子的總核子數減少
B.X原子核中含有85個中子
C.裂變反應前后質量沒有變化
D.裂變后新核的平均結合能比鈾核的小
例2　(2023·唐山市高二月考)受中子轟擊時會發生裂變，產生和，同時放出200兆電子伏特的能量。現要建設發電能力為10萬千瓦的核電站，用鈾235作為燃料。假設核裂變釋放的能量的50%轉化為電能。
(1)寫出核反應方程；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)求一天需要純鈾235的質量。(阿伏伽德羅常數NA=6.02×1023 mol-1)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2.重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能相比中等質量的核的平均結合能要小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。
3.重核的裂變方程仍然符合質量數守恒和電荷數守恒。
二、輕核聚變與可控熱核聚變
“大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽?！睕]有太陽，地球上就不可能有姿態萬千的生命現象。當然也不會孕育出作為智能生物的人類。
太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.輕核聚變
(1)采用輕核　　　　成較重核引起結合能變化的方式可獲得　　　　，這樣的核反應稱為核聚變。
(2)太陽內部的核聚變：太陽內部氫核聚變的反應方程為H→　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，平均每個核子釋放的結合能約為3.5 MeV，要比裂變中平均每個核子釋放的能量　　　　。
(3)輕核聚變的優點：聚變反應不僅能釋放　　　　的能量，而且所用的燃料氘和氚容易　　　　。氘可從海水中提取，天然的氚不存在，但可通過核反應LiHe+　　　　　得到。
2.可控熱核聚變
(1)熱核聚變的條件：要使輕核發生聚變，必須使它們的間距達到　　　　作用的范圍。以氘核發生聚變為例，必須在大約　　 K高溫下，使氘核獲得至少70 keV的動能才能達到核力作用的范圍而發生核聚變。
(2)物質第四態：輕核聚變溫度達到108 K，在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質第四態——等離子態。
(3)約束高溫等離子體的三種方式：引力約束、　　　　、慣性約束。
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例3　(2023·莆田市高二月考)2021年5月28日，在中科院合肥物質科學研究院，有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步。下列關于聚變的說法正確的是(　　)
A.任何兩個原子核都可以發生聚變
B.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小
C.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的平均結合能減小
D.核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
例4　太陽內部持續不斷地發生著四個質子聚變為一個氦核同時放出兩個正電子的熱核反應，這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源。已知質子質量為mH=1.007 3 u，氦核質量為mHe=4.001 5 u，電子質量為me=0.000 55 u，1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)寫出這個核反應方程；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)這一核反應能釋放多少能量？
(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質量為多少千克？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數守恒和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據。
2.核聚變反應一般只能在輕核之間發生，如氫的同位素氘和氚，它們原子核間的靜電斥力最小，容易發生聚變反應生成新的質量更重的原子核。
3.由于輕核聚變需要非常高的溫度，因此重核的裂變仍然是當前核能的主要利用方式。
答案精析
一、
鈾核的裂變。
梳理與總結
1.(1)能量　n
2.(1)2~3　增加　(2)最小
思考與討論
1.(1)重核裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)不是唯一的。鈾核裂變的產物(核反應方程)是多種多樣的。
(3)不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積，才會發生鏈式反應。
2.(1)鈾塊的體積大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量。
(2)有慢中子轟擊。
(3)有足夠濃度的鈾235。
易錯辨析　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
例1　B　[核反應過程中，質量數守恒，所以裂變后粒子的總核子數不變，A錯誤；設X原子核中有x個質子，質量數為y，則92=x+38，235+1=y+95+1×2，解得x=54，y=139，所以X原子核中含有中子數為y-x=85，B正確；裂變釋放核能，所以有質量虧損，C錯誤；裂變釋放核能是因為新核的平均結合能比鈾核的大，新核較穩定，D錯誤。]
例2　(1) nKr +n　(2)0.21 kg
解析　(1)核反應方程為 nKr +n
(2)每一天的發電量為
E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J
消耗的鈾235核的個數為
n==個=5.4×1023個
一天需要的純鈾235的質量為
m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。
二、
現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應。
梳理與總結
1.(1)聚變　核能　(2Hen　大得多
(3)巨大　獲得H
2.(1)核力　108　(3)磁約束
思考與討論
輕核的聚變反應，是兩個輕核結合成質量較大的核，要使得核力發揮作用，必須使核子間的距離達到10-15 m以內；同時由于在此距離時原子核之間的庫侖斥力巨大，因而需要核子有很大的動能才能克服，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
例3　B　[只有兩個質量較小的原子核才可以聚變成一個中等質量的原子核，并不是任何兩個原子核都可以發生聚變，A錯誤；核聚變反應會放出大量的能量，根據質能方程可知反應會發生質量虧損，兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小，平均結合能增大，B正確，C錯誤；核聚變的最終產物是氦，無污染，而核裂變產生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯誤。]
例4　(1)HHe+e　(2)24.78 MeV
(3)4.22×109 kg
解析　(1)由題意可得核反應方程應為HHe+e。
(2)反應前的質量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u，反應后的質量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u，Δm=m1-m2=0.026 6 u，釋放能量ΔE=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)由質能方程ΔE=Δm·c2得太陽每秒減少的質量Δm'== kg≈4.22×109 kg。(共53張PPT)
DIWUZHANG
第5章
第4節　核裂變和核聚變
1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和聚變的條件(重點)。
2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能(重難點)。
3.了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
學習目標
一、重核裂變、鏈式反應
二、輕核聚變與可控熱核聚變
課時對點練
內容索引
重核裂變、鏈式反應
一
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質，半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。
巨大的核能是從哪里來的
答案　鈾核的裂變。
1.重核的裂變
(1)用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質量相近的兩部分，并釋放出　　　，這種核反應過程稱為核裂變。
一種常見的核反應方程
nKr+　　　。
(2)在不同的裂變反應中，核釋放的能量也不同。如果按照一個核裂變時釋放200 MeV的能量來估算，1 kg的全部裂變釋放出的核能相當于兩千余噸標準煤完全燃燒釋放的能量。
梳理與總結
能量
n
2.鏈式反應
(1)定義：在核裂變釋放出巨大能量的同時，平均每次可以放出____
個中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個繼續轟擊，使之發生裂變，就能產生第2代中子，這樣不斷繼續下去，中子會不斷
　　　，裂變反應就會不斷加強，就形成了裂變的鏈式反應。
(2)能夠發生鏈式反應的鈾塊的　　　體積稱為臨界體積。
2~3
增加
最小
1.如圖所示為核裂變示意圖。
思考與討論
(1)重核裂變是一種天然現象嗎
答案　重核裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)鈾核裂變的產物(核反應方程)是唯一的嗎
答案　不是唯一的。鈾核裂變的產物(核反應方程)是多種多樣的。
(3)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎
答案　不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積，才會發生鏈式反應。
2.總結鏈式反應的條件。
答案　(1)鈾塊的體積大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量。
(2)有慢中子轟擊。
(3)有足夠濃度的鈾235。
(1)核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量。(　　)
(2)中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應。(　　)
(3)重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少。(　　)
(4)由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能。(　　)
×
×
×
√
　2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機組首次并網成功，標志著我國正式進入核電技術先進國家行列?！叭A龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為n→XSr+n，則下列敘述正確的是
A.裂變后粒子的總核子數減少
B.X原子核中含有85個中子
C.裂變反應前后質量沒有變化
D.裂變后新核的平均結合能比鈾核的小
例1
√
核反應過程中，質量數守恒，所以裂變后粒子的總核子數不變，A錯誤；
設X原子核中有x個質子，質量數為y，則92=x+38，235+1=y+95+1×2，解得x=54，y=139，所以X原子核中含有中子數為y-x=85，B正確；
裂變釋放核能，所以有質量虧損，C錯誤；
裂變釋放核能是因為新核的平均結合能比鈾核的大，新核較穩定，D錯誤。
　(2023·唐山市高二月考)受中子轟擊時會發生裂變，產生和，同時放出200兆電子伏特的能量?，F要建設發電能力為10萬千瓦的核電站，用鈾235作為燃料。假設核裂變釋放的能量的50%轉化為電能。
(1)寫出核反應方程；
例2
答案　 nKr +n
核反應方程為nKr +n
(2)求一天需要純鈾235的質量。(阿伏伽德羅常數NA=6.02×1023 mol-1)
答案　0.21 kg
每一天的發電量為E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J
消耗的鈾235核的個數為
n==個=5.4×1023個
一天需要的純鈾235的質量為
m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。
1.重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
2.重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后有質量虧損，根本原因是重核的平均結合能相比中等質量的核的平均結合能要小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。
3.重核的裂變方程仍然符合質量數守恒和電荷數守恒。
總結提升
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輕核聚變與可控熱核聚變
二
“大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽。”沒有太陽，地球上就不可能有姿態萬千的生命現象。當然也不會孕育出作為智能生物的人類。
太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢
答案　現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應。
1.輕核聚變
(1)采用輕核　　　成較重核引起結合能變化的方式可獲得　　　，這樣的核反應稱為核聚變。
(2)太陽內部的核聚變：太陽內部氫核聚變的反應方程為H→_______，平均每個核子釋放的結合能約為3.5 MeV，要比裂變中平均每個核子釋放的能量　　　　。
(3)輕核聚變的優點：聚變反應不僅能釋放　　　的能量，而且所用的燃料氘和氚容易　　　。氘可從海水中提取，天然的氚不存在，但可通過核反應LiHe+　　得到。
梳理與總結
聚變
核能
n
大得多
巨大
獲得
2.可控熱核聚變
(1)熱核聚變的條件：要使輕核發生聚變，必須使它們的間距達到_____
作用的范圍。以氘核發生聚變為例，必須在大約 K高溫下，使氘核獲得至少70 keV的動能才能達到核力作用的范圍而發生核聚變。
(2)物質第四態：輕核聚變溫度達到108 K，在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質第四態——等離子態。
(3)約束高溫等離子體的三種方式：引力約束、　　　　、慣性約束。
核力
108
磁約束
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫
思考與討論
答案　輕核的聚變反應，是兩個輕核結合成質量較大的核，要使得核力發揮作用，必須使核子間的距離達到10-15 m以內；同時由于在此距離時原子核之間的庫侖斥力巨大，因而需要核子有很大的動能才能克服，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
　 (2023·莆田市高二月考)2021年5月28日，在中科院合肥物質科學研究院，有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步。下列關于聚變的說法正確的是
A.任何兩個原子核都可以發生聚變
B.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小
C.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的平均結合能減小
D.核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
例3
√
只有兩個質量較小的原子核才可以聚變成一個中等質量的原子核，并不是任何兩個原子核都可以發生聚變，A錯誤；
核聚變反應會放出大量的能量，根據質能方程可知反應會發生質量虧損，兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前減小，平均結合能增大，B正確，C錯誤；
核聚變的最終產物是氦，無污染，而核裂變產生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯誤。
　太陽內部持續不斷地發生著四個質子聚變為一個氦核同時放出兩個正電子的熱核反應，這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源。已知質子質量為mH=1.007 3 u，氦核質量為mHe=4.001 5 u，電子質量為me=
0.000 55 u，1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)寫出這個核反應方程；
例4
答案　HHe+e
由題意可得核反應方程應為HHe+e。
(2)這一核反應能釋放多少能量
答案　24.78 MeV
反應前的質量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u，反應后的質量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u，Δm=m1-m2=0.026 6 u，釋放能量ΔE=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質量為多少千克
答案　4.22×109 kg
由質能方程ΔE=Δm·c2得太陽每秒減少的質量Δm'== kg≈
4.22×109 kg。
總結提升
1.核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數守恒和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據。
2.核聚變反應一般只能在輕核之間發生，如氫的同位素氘和氚，它們原子核間的靜電斥力最小，容易發生聚變反應生成新的質量更重的原子核。
3.由于輕核聚變需要非常高的溫度，因此重核的裂變仍然是當前核能的主要利用方式。
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課時對點練
三
考點一　重核的裂變及鏈式反應
1.原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，在極短的時間內能夠釋放大量的核能，發生猛烈爆炸。下列核反應方程式中屬于原子彈爆炸的核反應方程式的是
A.He
B.nSr+1n
C.HHe
D.HHen
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基礎對點練
√
2.(2023·山東省青島中學高二月考)鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是
A.若鈾235的體積小于它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生
B.為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的中子
C.鎘棒也叫控制棒，用來調節中子數目以控制反應速度
D.能否發生鏈式反應與鈾塊的體積無關
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√
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要使鈾核裂變產生鏈式反應，鈾塊的體積必須大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量；裂變反應中產生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發新的裂變；鎘棒吸收中子的能力很強，在核反應中用來調節中子數目以控制反應速度，所以C正確，A、B、D錯誤.
3.(多選)(2023·汕頭市月考)月球儲藏大量可控核聚變理想燃料氦3()，2020年12月1日，我國嫦娥五號探測器成功著陸月面后開始“挖土”并成功帶回地面供科學研究。核聚變反應方程為HHe+X或+
He+Y。下列說法正確的是
A.X是中子
B.Y是正電子
C.核聚變過程發生質量虧損，釋放核能
D.比的原子核更穩定
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√
√
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根據核反應的質量數守恒和電荷數守恒可知，X的質量數為1，電荷數為0，則X為中子；Y的質量數為1，電荷數為1，則Y為質子，A正確，B錯誤；
核聚變過程發生質量虧損，釋放核能，C正確；
因反應放出核能，則的原子核更穩定，D錯誤。
4.(多選)如圖甲所示，2020年11月27日00時41分，
華龍一號全球首堆中核集團福清核電5號機組首次
并網成功。如圖乙所示是原子核的平均結合能與
質量數的關系圖，下列說法正確的是
A.核反應中，質量數守恒，電荷數守恒
B.華龍一號的原理是核聚變
C.原子核結合能越大，原子核越穩定
D.核裂變反應發生后，核子的平均質量減小
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甲
乙
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√
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12
核反應遵守質量數守恒和電荷數守恒，故
A正確；
華龍一號的原理是重核的裂變反應，故B
錯誤；
原子核的平均結合能越大，原子核越穩定，
故C錯誤；
核裂變反應發生后，會釋放能量，有質量損失，所以核子的平均質量減小，故D正確。
考點二　輕核聚變與可控熱核反應
5.2020年12月4日，我國自主設計建造的新一代“人造太陽”——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實現首次放電，標志著中國核聚變發展獲得重大突破。關于核聚變和核能，下列說法正確的是
A.核聚變通常需要幾百萬開爾文以上的超高溫，又稱熱核反應
B.太陽輻射的能量來源于核聚變，核聚變又稱鏈式反應
C.一個氘核和一個氚核聚變的方程為：HHee
D.核子平均質量越大，原子核越穩定
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當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時接近到10-15 m而發生核聚變，因此，核聚變又叫熱核反應，故A正確；
太陽輻射的能量來源于核聚變，而鏈式反應發生在核裂變中，故B錯誤；
該方程不符合質量數守恒和電荷數守恒，故C錯誤；
原子核中核子平均質量越小，比結合能越大，原子核越穩定，故D錯誤。
6.(多選)中國“氫彈之父”于敏獲得2014年度國家最高科學技術獎。氫彈是利用原子彈爆炸的能量引發氫的同位素的聚變反應而瞬時釋放出巨大能量的核武器。下列有關氫彈爆炸可能出現的核反應及說法正確的是
A.nKr+n
B.HHen
C.輕核聚變過程中無質量虧損
D.氫彈爆炸后不會產生放射性污染
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氫彈是利用原子彈爆炸的能量引發氫的同位素的聚變反應而瞬時釋放出巨大能量的核武器，A、B正確；
聚變反應和裂變反應都有質量虧損，氫彈爆炸時存在核裂變反應，會產生放射性污染，C、D錯誤。
7.大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發電。氘核聚變反應方程是HHen。已知的質量為2.013 6 u，的質量為3.015 0 u，的質量為1.008 7 u，1 u相當于931 MeV的能量。氘核聚變反應中釋放的核能約為
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
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在核反應中，反應前物質的質量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反應后物質的質量
m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
質量虧損Δm=m1-m2=0.003 5 u，
則氘核聚變釋放的核能為
E=931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，故選B。
8.(多選)太陽的能量來源是輕核的聚變，太陽中存在的主要元素是氫，核聚變反應可以看作是4個氫核()結合成1個氦核同時放出2個正電子。下表中列出了部分粒子的質量(取1 u=×10-26 kg，c=3.0×108 m/s)，
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能力綜合練
粒子名稱 質子(p) α粒子 正電子(e)
質量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
以下說法正確的是
A.核反應方程為HHe+e
B.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為0.026 6 kg
C.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為4.43×10-29 kg
D.聚變反應過程中釋放的能量約為4.0×10-12 J
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√
粒子名稱 質子(p) α粒子 正電子(e)
質量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
√
√
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由核反應的質量數守恒及電荷數守恒得HHe+e，故A正確；
核反應中的質量虧損為Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u
=0.026 6 u≈4.43×10-29 kg，故C正確，B錯誤；
由質能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3.0×108)2 J≈4.0×10-12 J，故D正確。
粒子名稱 質子(p) α粒子 正電子(e)
質量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
9.(多選)(2023·福建師大二附中高二期末)太陽能發光并且輻射出巨大的能量是因為內部核聚變的結果。氘、氚的核聚變反應方程為：HHe+X，聚變反應過程中質量虧損約為0.018 9 u，已知氘核、氦核的比結合能分別是：1.09 MeV、7.03 MeV，1 u=931 MeV/c2，下列說法正確的是
A.X為正電子
B.聚變反應中釋放的核能約為17.6 MeV
C.氚核的結合能為43.54 MeV
D.氚核的比結合能2.78 MeV
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聚變反應前后遵循質量數守恒和電荷數守恒，可知X的質量數為1，電荷數為0，即X為中子，故A錯誤；
根據質能方程，核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=0.018 9×931 MeV
≈17.6 MeV，故B正確；
由能量守恒定律，可得氚核的結合能為ΔE1= MeV=8.34 MeV，則氚核的比結合能為ΔE1'= MeV= 2.78 MeV，
故C錯誤，D正確。
10.(2020·全國卷Ⅱ)氘核H可通過一系列聚變反應釋放能量，其總效果可用反應式H→He+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個，若全都發生聚變反應，其釋放的能量與質量為M的標準煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1 kg標準煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107 J，1 MeV= 1.6×10-13 J，則M約為
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
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根據核反應方程式，6個氘核聚變反應可釋放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反應釋放的能量為E=×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV
≈1.15×1010 J，則相當于燃燒的標準煤的質量為M= kg≈400 kg，故選C。
11.(2023·大連市高二期中)傳染病的傳播過程十分復雜，但是可以構建最簡單的傳播模型來描述，這個最簡模型可稱為鏈式模型，類似于核裂變鏈式反應模型，鈾核裂變的核反應方程為nKr+n，裂變后產生的中子能繼續發生反應的次數稱為鏈式反應的“傳染系數”，下列說法正確的是
A.從鈾核裂變的核反應方程看，“傳染系數”為2
B.核反應堆中通過鎘棒吸收中子降低“傳染系數”
C.鏈式反應的臨界值對應的實際“傳染系數”為3
D.核反應堆中的實際“傳染系數”與鈾濃度無關
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核反應遵循電荷數守恒及質量數守恒，可得R=3，
即從鈾核裂變的核反應方程看“傳染系數”為
3，選項A錯誤；
核反應堆中通過鎘棒吸收中子，減少轟擊鈾核
的中子數，最終起到降低實際“傳染系數”的
作用，選項B正確；
在鏈式反應中，當實際“傳染系數”R≥1時，反應才能持續下去，當實際“傳染系數”R<1時，反應將趨于停滯，即R=1是鏈式反應持續下去的臨界值，選項C錯誤；
核反應堆中調整鈾濃度來控制實際“傳染系數”，選項D錯誤。
12.(2023·南充市高二期末)已知1 L海水中可提取0.03 g的氘()，氘核和氦核()的質量分別為2.014 1 u和4.002 6 u，1 u=931.5 MeV，氘的摩爾質量為2 g/mol，NA=6.02×1023 mol-1。求：
(1)1 L海水中的氘全部聚變為氦，能釋放出多少MeV的能量
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答案　1.077×1023 MeV
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2個氘聚變為氦釋放的核能為ΔE=(2×2.014 1-4.002 6)×931.5 MeV
=23.846 4 MeV
0.03 g的氘中含有氘核的數目為
NH=NA=×6.02×1023=9.03×1021，
所以1 L海水中氘全部聚變為氦，釋放能量為
E=ΔE≈1.077×1023 MeV=1.723 2×1010 J
(2)1 kg無煙煤完全燃燒釋放的能量為3.35×107 J，則1 L海水中的氘全部聚變所放出的能量相當于多少kg的無煙煤完全燃燒所釋放的能量
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答案　514 kg
釋放1.723 2×1010 J的能量需要燃燒無煙煤的質量為m'= kg
≈514 kg。
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