資源簡介

4　核裂變　核聚變
(分值：100分)
1~8題每題7分，共56分
考點(diǎn)一　重核裂變
1.關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　　　　)
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
C.重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少
D.由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能
2.原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短的時間內(nèi)能夠釋放大量的核能，發(fā)生猛烈爆炸。下列核反應(yīng)方程式中屬于原子彈爆炸的核反應(yīng)方程式的是(　　　　)
A.UThHe
B.UnSrXe+1n
C.NHCHe
D.HHHen
3.核反應(yīng)堆不銹鋼外殼內(nèi)除核燃料棒和控制棒以外還通入水，這些水除了起冷卻作用外還起了(　　　　)
A.使中子減速的作用
B.使中子加速的作用
C.吸收放射性物質(zhì)的作用
D.吸收反應(yīng)發(fā)出的射線的作用
4.(2024·河北省統(tǒng)考)統(tǒng)計(jì)顯示，一座百萬千瓦電功率的核電廠和燃煤電廠相比，每年可以減少二氧化碳排放600多萬噸，可見核能是減排效應(yīng)較大的能源之一。下列對于鈾235相關(guān)的核反應(yīng)的描述中，說法正確的是(　　　　)
A.鈾塊的體積越小，越容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
B.發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核反應(yīng)方程為UBaKr+n
C.在核反應(yīng)堆中，中子的速度越快，鈾核越容易發(fā)生核裂變
D.核反應(yīng)堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，主要是為了調(diào)節(jié)中子數(shù)量，控制反應(yīng)速度
5.2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)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Un→XSr+n，則下列敘述正確的是(　　　　)
A.裂變后粒子的總核子數(shù)減少
B.X原子核中含有85個中子
C.裂變反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化
D.裂變后新核的平均結(jié)合能比鈾核的小
考點(diǎn)二　核聚變
6.(2023·宜賓市第一中學(xué)月考)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的一種形式為HHHe+X，下列說法正確的是(　　　　)
A.X為正電子 B.X為γ光子
C.該核反應(yīng)為α衰變 D.該核反應(yīng)為輕核聚變
7.2021年5月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。下列關(guān)于聚變的說法正確的是(　　　　)
A.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變
B.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小
C.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的平均結(jié)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
8.大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)方程是HH→Hen。已知H的質(zhì)量為2.013 6 u,He的質(zhì)量為3.015 0 u,n的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u相當(dāng)于931 MeV的能量。氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為(　　　　)
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
9、10題每題9分，11題15分，共33分
9.(2023·青島市模擬)2023年4月12日，中國的“人造太陽”成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行時間403 s，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄?！叭嗽焯枴惫ぷ鲿r進(jìn)行兩種熱核聚變反應(yīng):HHHe+X+17.6 MeV和HeHeHe+2Y+12.86 MeV，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，下列說法正確的是(　　　　)
A.目前主流核電站都是利用熱核聚變進(jìn)行發(fā)電的
B.反應(yīng)中釋放出的X粒子會受到線圈磁場的磁約束力
C.反應(yīng)中釋放出的Y粒子為中子
D.He核的核子平均質(zhì)量大于He核的核子平均質(zhì)量
10.(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(yīng)可以看作是4個氫核H)結(jié)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(zhì)量(取1 u=×10-26 kg)，已知光速c=3×108 m/s，以下說法正確的是(　　　　)
粒子名稱 質(zhì)子(p) α粒子 正電子(e)
質(zhì)量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
A.核反應(yīng)方程為H—→+e
B.4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為0.026 6 kg
C.4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為4.43×10-29 kg
D.聚變反應(yīng)過程中釋放的能量約為4.0×10-12 J
11.(15分)鈾核裂變的許多核反應(yīng)中的其中一個是Un—→Kr+n。
(1)(6分)試計(jì)算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量(、、Kr、的質(zhì)量分別為235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相當(dāng)于931.5 MeV能量)；
(2)(9分)1 kg鈾235原子核發(fā)生上述裂變時能放出多少核能？這相當(dāng)于完全燃燒多少t煤釋放的能量？(NA=6.02×1023 mol-1，煤的熱值為2.94×107 J/kg)
(11分)
12.(多選)(2023·內(nèi)江市月考)2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，該裝置是中國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，是中國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。我國重大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)的方程為HH→Xn。已知氘核的質(zhì)量為m1，比結(jié)合能為E，中子的質(zhì)量為m2，反應(yīng)中釋放的核能為ΔE，光速為c，下列說法正確的是(　　　　)
A.反應(yīng)產(chǎn)物X為He
B.X核的質(zhì)量為+m2-2m1
C.X的比結(jié)合能為E+
D.要使該聚變反應(yīng)發(fā)生，必須克服兩氘核間巨大的庫侖斥力
答案精析
1.D?。鄹鶕?jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時吸收的能量，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于或等于其臨界體積，在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，故選D。］
2.B　3.A
4.D?。垡规?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，鈾塊必須達(dá)到臨界體積，故A錯誤；只有中子轟擊鈾核，才能發(fā)生裂變反應(yīng)，其中一種典型的核反應(yīng)方程為UnBaKr+n，故B錯誤；在核反應(yīng)堆中，中子的速度太快，會與鈾235“擦肩而過”，鈾核不容易發(fā)生核裂變，故C錯誤；核反應(yīng)堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，可以吸收中子，主要是為了調(diào)節(jié)中子數(shù)量，控制反應(yīng)速度，故D正確。］
5.B?。酆朔磻?yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)守恒，所以裂變后粒子的總核子數(shù)不變，A錯誤；設(shè)X原子核中有x個質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)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(shù)為y-x=85，B正確；裂變釋放核能，所以有質(zhì)量虧損，C錯誤；裂變釋放核能是因?yàn)樾潞说钠骄Y(jié)合能比鈾核的大，新核較穩(wěn)定，D錯誤。］
6.D　［根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得核反應(yīng)方程為HHHen，可知X為中子，故A、B錯誤；該核反應(yīng)為輕核聚變，故C錯誤，D正確。］
7.B?。壑挥袃蓚€質(zhì)量較小的原子核才可以聚變成一個中等質(zhì)量的原子核，并不是任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變，A錯誤；核聚變反應(yīng)會放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能方程可知反應(yīng)會發(fā)生質(zhì)量虧損，兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小，平均結(jié)合能增大，B正確，C錯誤；核聚變的最終產(chǎn)物是氦，無污染，而核裂變產(chǎn)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。］
8.B　［在核反應(yīng)中，反應(yīng)前物質(zhì)的質(zhì)量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
質(zhì)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。］
9.D?。勰壳爸髁骱穗娬径际抢煤肆炎冞M(jìn)行發(fā)電的，選項(xiàng)A錯誤；由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，X為中子n，Y為質(zhì)子H，中子不帶電，所以不會受到線圈磁場的磁約束力，選項(xiàng)B、C錯誤；該反應(yīng)釋放核能，根據(jù)比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定可知He核的比結(jié)合能小于He核的比結(jié)合能，而比結(jié)合能越大，釋放能量越多，質(zhì)量虧損越大，則核子平均質(zhì)量越小，可知He核的核子平均質(zhì)量大于He核的核子平均質(zhì)量， 選項(xiàng)D正確。］
10.ACD?。塾珊朔磻?yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒及電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為HHe+e，故A正確；核反應(yīng)中的質(zhì)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(zhì)能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3×108)2 J≈4.0×10-12 J，故D正確。］
11.(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026 MeV　2 797.3 t
解析　(1)裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為
Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×1.008 7) u=0.215 3 u
一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為
ΔE=0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
(2)1 kg鈾235原子核中含原子核的個數(shù)為
N=×6.02×1023 個≈2.56×1024 個，
1 kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量
ΔEN=N·ΔE=2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV
設(shè)完全燃燒的煤的質(zhì)量為m，有ΔEN=qm，
所以m== kg
≈2 797.3 t。
12.CD?。塾少|(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得出X為He，故A錯誤；由愛因斯坦質(zhì)能方程有ΔE=mc2，可知ΔE=(2m1-mX-m2)c2，解得：mX=2m1-m2-，故B錯誤；根據(jù)4E+ΔE=3EX，解得：EX=E+，C正確；要使該聚變反應(yīng)發(fā)生，必須克服兩氘核間巨大的庫侖斥力，D正確。］4　核裂變　核聚變
［學(xué)習(xí)目標(biāo)］　1.知道什么是核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件，會書寫核裂變方程，會利用質(zhì)量虧損計(jì)算核裂變產(chǎn)生的核能(重難點(diǎn))。2.了解核反應(yīng)堆的工作原理，初步了解核電站的構(gòu)成，知道如何控制核反應(yīng)的速度。3.知道什么是核聚變，知道核聚變發(fā)生的條件，了解受控?zé)岷朔磻?yīng)，會利用質(zhì)量虧損計(jì)算核聚變產(chǎn)生的核能(重點(diǎn))。
一、核裂變　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
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(dāng)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(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1 600 m范圍內(nèi)所有動植物全部死亡。巨大的核能是從哪里來的？
1.核裂變：把重核分裂成幾個　　　　　　　原子核的核反應(yīng)現(xiàn)象稱為核裂變。
2.鈾核裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是nBaKr+　　　　　　　。
3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
如果一個反應(yīng)過程的產(chǎn)物能夠　　　　　　　　　　這種反應(yīng)，從而使反應(yīng)一旦開始后就能　　　　　　　　下去，這樣的反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
4.臨界體積
把能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變物質(zhì)的　　　　　　　　　　　叫作臨界體積。
5.核裂變的能量
鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以　　　　能量。
如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？
(2)鈾核裂變的產(chǎn)物(核反應(yīng)方程)是唯一的嗎？
例1　(2023·宜賓市統(tǒng)考)鈾核U)是核反應(yīng)主要原料之一，其中一種核反應(yīng)方程為UnBaKr+3K。下列說法正確的是(　　)
A.該核反應(yīng)是重核裂變反應(yīng)，其中K是中子
B.該核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性可以通過人工手段去消除
C.該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和等于核反應(yīng)前反應(yīng)物的結(jié)合能之和
D.核反應(yīng)時釋放能量，根據(jù)E=mc2，核反應(yīng)后的總質(zhì)量數(shù)減少
1.重核裂變是中子轟擊質(zhì)量較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)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(yīng)，原因是核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能小。所以在重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量。
例2　若U俘獲一個中子裂變成Sr及Xe兩種新核，且三種原子核的質(zhì)量分別為235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u。(1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量)
(1)寫出鈾核裂變的核反應(yīng)方程；
(2)求一個U俘獲一個中子發(fā)生上述裂變所釋放的能量。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
二、核反應(yīng)堆　核電站
1.核反應(yīng)堆：是一種　　　　　　　　的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置。核反應(yīng)堆按引起裂變的中子能量可分為　　　　　反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆。它的主要組成部分及作用如下：
組成部分 材料 作用
裂變材料 (核燃料) 鈾棒(濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑 (慢化劑) 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 使裂變產(chǎn)生的快中子減速
控制棒 鎘或硼 吸收中子，控制反應(yīng)速度
冷卻劑 水或液態(tài)的金屬鈉 傳輸熱量
防護(hù)層 厚水泥層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
2.核電站
核能發(fā)電指利用核反應(yīng)堆中　　　　　　所釋放出的核能進(jìn)行發(fā)電。核能轉(zhuǎn)變成水的　　　　，使水變成高溫高壓的蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
例3　如圖是核反應(yīng)堆的示意圖，對于核反應(yīng)堆的認(rèn)識，下列說法正確的是(　　)
A.鈾棒是核燃料，核心物質(zhì)是鈾238
B.石墨起到吸收中子的作用
C.鎘棒起到使中子減速的作用
D.水泥防護(hù)層的作用是阻隔各種射線，避免放射性危害
三、核聚變　受控?zé)岷朔磻?yīng)
1.核聚變
(1)定義：把輕原子核聚合成　　　　原子核的反應(yīng)稱為聚變反應(yīng)，簡稱核聚變。
(2)核反應(yīng)方程舉例:HHHen。
(3)條件：要啟動上述核聚變反應(yīng)，必須要上億攝氏度的溫度，使H核和H核具有足夠的動能克服庫侖斥力進(jìn)入到核力作用范圍之內(nèi)，即距離達(dá)到　　　　　　　　 m以內(nèi)。因此，核聚變反應(yīng)也稱　　　　反應(yīng)。
(4)核聚變反應(yīng)和核裂變反應(yīng)相比，具有很多優(yōu)越性。
①在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，核聚變反應(yīng)比核裂變反應(yīng)能釋放更多的能量。
②核裂變反應(yīng)時產(chǎn)生放射性廢料，處理起來比較困難，而核聚變反應(yīng)沒有放射性廢料產(chǎn)生。
③核聚變反應(yīng)所用的燃料氘，在地球上的儲量非常豐富。
2.受控?zé)岷朔磻?yīng)
(1)實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的難點(diǎn)：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。
(2)控制方法
①磁約束：利用　　　　約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。
②激光慣性約束：由于聚變反應(yīng)的時間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。所以，在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
例4　(2024·滄州市期末)2023年8月25日，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄。關(guān)于聚變反應(yīng)HHe+X，下列說法正確的是(　　)
A.X為質(zhì)子
B.核聚變和核衰變均是可逆的
C.質(zhì)量虧損相同時，聚變比裂變釋放更多的能量
D.H的比結(jié)合能小于He
答案精析
一、
鈾核的裂變。
梳理與總結(jié)
1.中等質(zhì)量
2.n　
3.再次引發(fā)　自動延續(xù)　
4.最小體積　
5.放出　
討論交流
(1)重核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，所以重核裂變不是一種天然現(xiàn)象。
(2)不是唯一的。鈾核裂變的產(chǎn)物(核反應(yīng)方程)是多種多樣的。
例1　A?。鄹鶕?jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得，K的電荷數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，則K是中子，故A正確；放射性物質(zhì)的半衰期非常穩(wěn)定，不會隨著外界環(huán)境改變而改變，因此不可以通過人工手段消除，故B錯誤；由于該反應(yīng)為放能反應(yīng)，釋放核能后結(jié)合能增大，因此該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和大于鈾核的結(jié)合能，故C錯誤；核反應(yīng)時釋放能量，有質(zhì)量虧損，而總質(zhì)量數(shù)保持不變，故D錯誤。］
例2　(1UnSrXe+1n
(2)1.4×102 MeV
解析　(1)根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒有
UnSrXe+1n。
(2)該核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為
Δm=(235.043 9+1.008 7) u-(89.907 7+135.907 2+10×1.008 7) u=0.150 7 u
釋放的能量為ΔE=Δm×931.5 MeV≈1.4×102 MeV。
二、
1.人為可控　慢中子
2.核裂變　內(nèi)能　
例3　D?。酆朔磻?yīng)堆采用的核燃料為鈾235，故A錯誤；石墨的作用是使中子減速，故B錯誤；鎘棒的作用是吸收中子，故C錯誤；水泥防護(hù)層的作用是阻隔各種射線，避免放射性危害，故D正確。］
三、
1.(1)較重　(3)10-15　熱核
2.(2)①磁場
例4　D　［根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒，X應(yīng)為中子，故A錯誤；核聚變和核衰變是不可逆的，虧損相同的質(zhì)量時，聚變和裂變釋放的能量相同，故B、C錯誤；聚變放出能量，所以H的比結(jié)合能小于He，故D正確。］(共49張PPT)
DIWUZHANG
第五章
4　核裂變　核聚變
1.知道什么是核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件，會書寫核裂變方程，會利用質(zhì)量虧損計(jì)算核裂變產(chǎn)生的核能(重難點(diǎn))。
2.了解核反應(yīng)堆的工作原理，初步了解核電站的構(gòu)成，知道如何控制核反應(yīng)的速度。
3.知道什么是核聚變，知道核聚變發(fā)生的條件，了解受控?zé)岷朔磻?yīng)，會利用質(zhì)量虧損計(jì)算核聚變產(chǎn)生的核能(重點(diǎn))。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
一、核裂變　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
二、核反應(yīng)堆　核電站
課時對點(diǎn)練
三、核聚變　受控?zé)岷朔磻?yīng)
內(nèi)容索引
核裂變　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
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(dāng)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(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1 600 m范圍內(nèi)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.核裂變：把重核分裂成幾個 原子核的核反應(yīng)現(xiàn)象稱為核裂變。
2.鈾核裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是UnBaKr+____。
3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
如果一個反應(yīng)過程的產(chǎn)物能夠 這種反應(yīng)，從而使反應(yīng)一旦開始后就能 下去，這樣的反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
梳理與總結(jié)
中等質(zhì)量
n
再次引發(fā)
自動延續(xù)
4.臨界體積
把能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變物質(zhì)的 叫作臨界體積。
5.核裂變的能量
鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以 能量。
最小體積
放出
如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？
討論交流
答案　重核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，所以重核裂變不是一種天然現(xiàn)象。
(2)鈾核裂變的產(chǎn)物(核反應(yīng)方程)是唯一的嗎？
答案　不是唯一的。鈾核裂變的產(chǎn)物(核反應(yīng)方程)是多種多樣的。
　(2023·宜賓市統(tǒng)考)鈾核U)是核反應(yīng)主要原料之一，其中一種核反應(yīng)方程為UnBaKr+3K。下列說法正確的是
A.該核反應(yīng)是重核裂變反應(yīng)，其中K是中子
B.該核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性可以通過人工手段去消除
C.該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和等于核反應(yīng)前反應(yīng)物的結(jié)合能之和
D.核反應(yīng)時釋放能量，根據(jù)E=mc2，核反應(yīng)后的總質(zhì)量數(shù)減少
例1
√
根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得，K的電荷數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，則K是中子，故A正確；
放射性物質(zhì)的半衰期非常穩(wěn)定，不會隨著外界環(huán)境改變而改變，因此不可以通過人工手段消除，故B錯誤；
由于該反應(yīng)為放能反應(yīng)，釋放核能后結(jié)合能增大，因此該核反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)合能之和大于鈾核的結(jié)合能，故C錯誤；
核反應(yīng)時釋放能量，有質(zhì)量虧損，而總質(zhì)量數(shù)保持不變，故D錯誤。
總結(jié)提升
1.重核裂變是中子轟擊質(zhì)量較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)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(yīng)，原因是核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能小。所以在重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量。
　若U俘獲一個中子裂變成Sr及Xe兩種新核，且三種原子核的質(zhì)量分別為235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u。(1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量)
(1)寫出鈾核裂變的核反應(yīng)方程；
例2
答案　nSrXe+1n
根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒有UnSrXe+1n。
(2)求一個U俘獲一個中子發(fā)生上述裂變所釋放的能量。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
答案　1.4×102 MeV
該核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為
Δm=(235.043 9+1.008 7) u-(89.907 7+135.907 2+10×1.008 7) u=0.150 7 u
釋放的能量為ΔE=Δm×931.5 MeV≈1.4×102 MeV。
返回
核反應(yīng)堆　核電站
二
1.核反應(yīng)堆：是一種 的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置。核反應(yīng)堆按引起裂變的中子能量可分為 反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆。它的主要組成部分及作用如下：
人為可控
慢中子
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) 鈾棒(濃縮鈾) 提供核燃料
減速劑(慢化劑) 石墨、重水或普通水 (也叫輕水) 使裂變產(chǎn)生的快中子減速
控制棒 鎘或硼 吸收中子，控制反應(yīng)速度
冷卻劑 水或液態(tài)的金屬鈉 傳輸熱量
防護(hù)層 厚水泥層 防止放射線泄漏，對人體及其他生物體造成傷害
2.核電站
核能發(fā)電指利用核反應(yīng)堆中 所釋放出的核能進(jìn)行發(fā)電。核能轉(zhuǎn)變成水的 ，使水變成高溫高壓的蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
核裂變
內(nèi)能
　如圖是核反應(yīng)堆的示意圖，對于核反應(yīng)堆的認(rèn)識，
下列說法正確的是
A.鈾棒是核燃料，核心物質(zhì)是鈾238
B.石墨起到吸收中子的作用
C.鎘棒起到使中子減速的作用
D.水泥防護(hù)層的作用是阻隔各種射線，
避免放射性危害
例3
√
核反應(yīng)堆采用的核燃料為鈾235，故A錯誤；
石墨的作用是使中子減速，故B錯誤；
鎘棒的作用是吸收中子，故C錯誤；
水泥防護(hù)層的作用是阻隔各種射線，避免放
射性危害，故D正確。
返回
核聚變　受控?zé)岷朔磻?yīng)
三
1.核聚變
(1)定義：把輕原子核聚合成 原子核的反應(yīng)稱為聚變反應(yīng)，簡稱核聚變。
(2)核反應(yīng)方程舉例：HHen。
(3)條件：要啟動上述核聚變反應(yīng)，必須要上億攝氏度的溫度，使H核和H核具有足夠的動能克服庫侖斥力進(jìn)入到核力作用范圍之內(nèi)，即距離達(dá)到 m以內(nèi)。因此，核聚變反應(yīng)也稱 反應(yīng)。
較重
10-15
熱核
(4)核聚變反應(yīng)和核裂變反應(yīng)相比，具有很多優(yōu)越性。
①在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，核聚變反應(yīng)比核裂變反應(yīng)能釋放更多的能量。
②核裂變反應(yīng)時產(chǎn)生放射性廢料，處理起來比較困難，而核聚變反應(yīng)沒有放射性廢料產(chǎn)生。
③核聚變反應(yīng)所用的燃料氘，在地球上的儲量非常豐富。
2.受控?zé)岷朔磻?yīng)
(1)實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的難點(diǎn)：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。
(2)控制方法
①磁約束：利用 約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。
②激光慣性約束：由于聚變反應(yīng)的時間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。所以，在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
磁場
　(2024·滄州市期末)2023年8月25日，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄。關(guān)于聚變反應(yīng)HH
He+X，下列說法正確的是
A.X為質(zhì)子
B.核聚變和核衰變均是可逆的
C.質(zhì)量虧損相同時，聚變比裂變釋放更多的能量
DH的比結(jié)合能小于He
例4
√
根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒，X應(yīng)為中子，故A錯誤；
核聚變和核衰變是不可逆的，虧損相同的質(zhì)量時，聚變和裂變釋放的能量相同，故B、C錯誤；
聚變放出能量，所以H的比結(jié)合能小于He，故D正確。
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課時對點(diǎn)練
四
考點(diǎn)一　重核裂變
1.關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
C.重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少
D.由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核
裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能
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基礎(chǔ)對點(diǎn)練
√
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根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時吸收的能量，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于或等于其臨界體積，在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，故選D。
2.原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短的時間內(nèi)能夠釋放大量的核能，發(fā)生猛烈爆炸。下列核反應(yīng)方程式中屬于原子彈爆炸的核反應(yīng)方程式的是
AUThHe
BUnSrXe+1n
CNHCHe
DHHHen
√
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3.核反應(yīng)堆不銹鋼外殼內(nèi)除核燃料棒和控制棒以外還通入水，這些水除了起冷卻作用外還起了
A.使中子減速的作用
B.使中子加速的作用
C.吸收放射性物質(zhì)的作用
D.吸收反應(yīng)發(fā)出的射線的作用
√
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4.(2024·河北省統(tǒng)考)統(tǒng)計(jì)顯示，一座百萬千瓦電功率的核電廠和燃煤電廠相比，每年可以減少二氧化碳排放600多萬噸，可見核能是減排效應(yīng)較大的能源之一。下列對于鈾235相關(guān)的核反應(yīng)的描述中，說法正確的是
A.鈾塊的體積越小，越容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
B.發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核反應(yīng)方程為UBaKr+n
C.在核反應(yīng)堆中，中子的速度越快，鈾核越容易發(fā)生核裂變
D.核反應(yīng)堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，主要是為了調(diào)節(jié)中子數(shù)量，
控制反應(yīng)速度
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√
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要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，鈾塊必須達(dá)到臨界體積，故A錯誤；
只有中子轟擊鈾核，才能發(fā)生裂變反應(yīng)，其中一種典型的核反應(yīng)方程為UnBaKr+n，故B錯誤；
在核反應(yīng)堆中，中子的速度太快，會與鈾235“擦肩而過”，鈾核不容易發(fā)生核裂變，故C錯誤；
核反應(yīng)堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，可以吸收中子，主要是為了調(diào)節(jié)中子數(shù)量，控制反應(yīng)速度，故D正確。
5.2020年11月27日0時41分，“華龍一號”福清核電站5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)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Un→XSr+n，則下列敘述正確的是
A.裂變后粒子的總核子數(shù)減少
B.X原子核中含有85個中子
C.裂變反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化
D.裂變后新核的平均結(jié)合能比鈾核的小
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核反應(yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)守恒，所以裂變后粒子的總核子數(shù)不變，A錯誤；
設(shè)X原子核中有x個質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)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(shù)為y-x=85，B正確；
裂變釋放核能，所以有質(zhì)量虧損，C錯誤；
裂變釋放核能是因?yàn)樾潞说钠骄Y(jié)合能比鈾核的大，新核較穩(wěn)定，D錯誤。
考點(diǎn)二　核聚變
6.(2023·宜賓市第一中學(xué)月考)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的一種形式為HHHe
+X，下列說法正確的是
A.X為正電子 B.X為γ光子
C.該核反應(yīng)為α衰變 D.該核反應(yīng)為輕核聚變
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√
根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得核反應(yīng)方程為HHHen，可知X為中子，故A、B錯誤；
該核反應(yīng)為輕核聚變，故C錯誤，D正確。
7.2021年5月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。下列關(guān)于聚變的說法正確的是
A.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變
B.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小
C.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的平均結(jié)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
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只有兩個質(zhì)量較小的原子核才可以聚變成一個中等質(zhì)量的原子核，并不是任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變，A錯誤；
核聚變反應(yīng)會放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能方程可知反應(yīng)會發(fā)生質(zhì)量虧損，兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小，平均結(jié)合能增大，B正確，C錯誤；
核聚變的最終產(chǎn)物是氦，無污染，而核裂變產(chǎn)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。
8.大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)方程是HH—→ n。已知H的質(zhì)量為2.013 6 u，的質(zhì)量為3.015 0 u，的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u相當(dāng)于931 MeV的能量。氘核聚變反應(yīng)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(yīng)中，反應(yīng)前物質(zhì)的質(zhì)量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
質(zhì)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。
9.(2023·青島市模擬)2023年4月12日，中國的“人造太陽”成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行時間403 s，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。“人造太陽”工作時進(jìn)行兩種熱核聚變反應(yīng)：HHe+X+17.6 MeV和HeHe
He+2Y+12.86 MeV，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，下列說法正確的是
A.目前主流核電站都是利用熱核聚變進(jìn)行發(fā)電的
B.反應(yīng)中釋放出的X粒子會受到線圈磁場的磁約束力
C.反應(yīng)中釋放出的Y粒子為中子
DHe核的核子平均質(zhì)量大于He核的核子平均質(zhì)量
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能力綜合練
目前主流核電站都是利用核裂變進(jìn)行發(fā)電的，
選項(xiàng)A錯誤；
由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，X為中子
n，Y為質(zhì)子H，中子不帶電，所以不會受
到線圈磁場的磁約束力，選項(xiàng)B、C錯誤；
該反應(yīng)釋放核能，根據(jù)比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定可知He核的比結(jié)合能小于He核的比結(jié)合能，而比結(jié)合能越大，釋放能量越多，質(zhì)量虧損越大，則核子平均質(zhì)量越小，可知He核的核子平均質(zhì)量大于He核的核子平均質(zhì)量， 選項(xiàng)D正確。
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10.(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(yīng)可以看作是4個氫核H)結(jié)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(zhì)量(取
1 u=×10-26 kg)，已知光速c=3×
108 m/s，以下說法正確的是
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粒子名稱 質(zhì)子(p) α粒子 正電子(e)
質(zhì)量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
A.核反應(yīng)方程為H—→ +e
B.4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為0.026 6 kg
C.4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為4.43×10-29 kg
D.聚變反應(yīng)過程中釋放的能量約為4.0×10-12 J
√
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√
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由核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒及電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為H—→+
e，故A正確；
核反應(yīng)中的質(zhì)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(zhì)能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3×108)2 J≈4.0×10-12 J，故D正確。
11.鈾核裂變的許多核反應(yīng)中的其中一個是Un—→Kr+n。
(1)試計(jì)算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量(、、Kr、的質(zhì)量分別為235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相當(dāng)于931.5 MeV能量)；
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答案　200.6 MeV
裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為
Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×1.008 7) u=0.215 3 u
一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為
ΔE=0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
(2)1 kg鈾235原子核發(fā)生上述裂變時能放出多少核能？這相當(dāng)于完全燃燒多少t煤釋放的能量？(NA=6.02×1023 mol-1，煤的熱值為2.94×107 J/kg)
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答案　5.14×1026 MeV　2 797.3 t
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1 kg鈾235原子核中含原子核的個數(shù)為
N=×6.02×1023 個≈2.56×1024 個，
1 kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量
ΔEN=N·ΔE=2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV
設(shè)完全燃燒的煤的質(zhì)量為m，有ΔEN=qm，
所以m== kg≈2 797.3 t。
12.(多選)(2023·內(nèi)江市月考)2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，該裝置是中國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，是中國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。我國重大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)的方程為HH→Xn。已知氘核的質(zhì)量為m1，比結(jié)合能為E，中子的質(zhì)量為m2，反應(yīng)中釋放的核能為ΔE，光速為c，下列說法正確的是
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尖子生選練
A.反應(yīng)產(chǎn)物X為He
B.X核的質(zhì)量為+m2-2m1
C.X的比結(jié)合能為E+
D.要使該聚變反應(yīng)發(fā)生，必須克服兩氘核間巨大的庫侖斥力
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由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得出X為He，故A錯誤；
由愛因斯坦質(zhì)能方程有ΔE=mc2，可知ΔE=(2m1-mX-m2)c2，解得：
mX=2m1-m2-，故B錯誤；
根據(jù)4E+ΔE=3EX，解得：EX=E+，C正確；
要使該聚變反應(yīng)發(fā)生，必須克服兩氘核間巨大的庫侖斥力，D正確。
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