4.3核聚变
（一）知识与技能
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。
（二）过程与方法
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
（三）情感、态度与价值观
1．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。
2．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。
教学重点
聚变核反应的特点。
聚变反应的条件。
课时安排:1 课时
教学过程
能源是推动科学技术和经济高速发展的动力保障，需求正在急剧增加。煤、石油等化石能源的不可再生，使资源日益枯竭，而且给地球带来了巨大的污染，这些因素促使人们更加重视寻找洁净的、可持续发展的新能源。近年来，核能作为一种新能源倍受人们关注，核反应有些释放能量，有些吸收能量，人们想利用核能，当然必须选那些释放核能的核反应。什么样的核反应能释放核能呢？利用天然放射性元素的衰变行吗？例如：
U238在α衰变时放出的α粒子具有4.18MeV的能量，但它的半衰期很长，达4.49亿年，衰变非常缓慢，功率太小。
利用人工核转变行吗？例如：
但粒子击中原子核的概率太低，只有百万分之一、二。实在得不偿失！有哪些核反应才真正具有实用价值呢？那么如何获得核能呢？重核裂变和轻核聚变是获得核能的两个重要途径。这节课我们学习轻核的聚变。
轻核聚变：核物理中把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。
三、轻核聚变
学生阅读课文，并回答下列问题：
（1）是否任意核聚变在一起都释放出能量？为什么？
（2）什么叫轻核的聚变？
（3）发生轻核聚变的条件是什么？
结合裂变知识，引导学生回答问题：不是任意核聚变在一起都能释放能量。由爱因斯坦质能方程可知，只有在反应中出现质量亏损，即生成物的总质量小于反应物的总质量时，才能放出能量。
1．轻核的聚变
把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做轻核的聚变，简称聚变。
常见的聚变反应有：
2．发生聚变的条件
要使轻核发生聚变，必须使它们核子间的距离接近到69e9449c5ab7fd43dc031f685c532b0e.png
怎样才能使轻核获得足够大的动能来产生聚变呢？
方法之一：就是将物质加热。温度越高，分子的热运动越剧烈，分子热运动的平均动能越大。当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服原子核间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变。因此，聚变反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
根据你所知道的，还能通过什么方法实现核聚变？
日英开发出激光核聚变新方法，有关论文发表在近日出版的英国《自然》杂志上。有人提出利用电解重水的方法实现低温核聚变，但是未经证实。
3．聚变反应的特点
（1） 和裂变相比，聚变反应释放的能量更多
例如，一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是：
给出数据，让学生计算该核反应释放的能量。
氘核的质量：mD=2.014 102u
氚核的质量：mT=3.016 050u
氦核的质量：mα=4.002 603u
中子的质量：mn=1.008 665u
1u=1.660 6×10－27kg，e=1.602 2×10－19C
根据质能方程，释放出的能量
△E=△m·c2
＝17.6 MeV
平均每个核子放出的能量约为3.3 MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1 MeV。
（2）聚变材料丰富
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。
常见的聚变反应：
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，而氘是重水的组成成分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。
（3） 安全、无污染
聚变产物基本上是稳定的氦核，没有放射性，不污染周围环境。而常规裂变反应堆会产生寿命长、放射性较强的核废料，容易引起环境污染。
可见，轻核的聚变是一种理想的解决能源的途径。通过阅读课本和大家查找的资料了解目前对聚变能的应用情况。
四、热核反应的应用
1．聚变能的应用
（1） 太阳能。热核反应在宇宙中是很普通的。太阳和许多恒星内部，温度高达107K以上，就满足热核反应的条件。太阳内部的氢核在极高温下聚变成氦核，每秒释放的能量达3.8×1026J。地球只接收了其中的二十亿分之一左右。对太阳能的应用主要是：地球上万物生长离不开太阳的光和热；太阳能热水器、太阳能电池等等。
请同学们查阅资料，更多、更详细地了解太阳能的应用。
（2）氢弹。氢弹是利用热核反应制造的一种大规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应。
利用原子弹爆炸时产生的超高温，使氘和氚发生热核反应，在极短的时间内释放出大量的能量。
氢弹中用的不太容易获得，而且不能储藏很久，所以，有些氢弹用
来提供
，其反应式为
产生的氚与氘进行热核反应，又放出17.6兆电子伏特的能量。
氢弹比原子弹复杂一些，它需要用原子弹来引爆以获得热核反应所需的高温，而这些原子弹又要用普通炸药点燃。
要使聚变反应所产生的能量用于和平目的，则需实现可控热核反应。
2．可控热核反应
世界上许多国家都在积极研究可控热核反应的理论和技术。我国在这方面已经具有一定的实力，取得一定的成果。我国自行研制可控热核反应装置“中国环流一号”于1984年9月启动。位于合肥西郊的中国科学院等离子体物理研究所、具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-T超导托卡马克”于1994年安装成功。日前传出喜讯：基于超导托卡马克装置HT—7的可控热核聚变研究再获突破，运行参数居世界前两位。据介绍，本轮实验有来自美、日等14个研究机构的18位外籍专家参与，HT—7装置成为名副其实的国际可控热核聚变研究大舞台。
据专家估计，可控热核聚变可能在本世纪40年代投入商业运营，人类从此将拥有用之不竭的洁净能源。在这个中外科学家百年共同努力的造福人类的“千年工程”上，人们将会看到中国人用HT—7搭建的里程碑。相关内容可上网查询。
说明：
1．本节课重在让学生知道裂变反应和聚变反应能够释放能量，了解发生裂变反应和热核反应的条件及其特点。课本的内容只是点到为止，在高中阶段不易展开，所以处理本节课时，采取让学生阅读、讨论、总结的方法，培养学生收集和处理信息的能力、口头交流的能力。教师在教学过程中可以补充一些相关知识。
2．反应堆已成为人们获得核能的重要途径，而增殖反应堆还处在探索研究阶段；聚变反应作为一种理想能源，备受人们关注。鼓励学生查阅一些有关现代科技的资料，多了解一些有关裂变反应和聚变反应的知识。例如，增殖反应堆的研究，太阳能的应用，对“可控热核反应”研究的进展等等。
课堂练习
1．关于聚变，以下说法正确的是( )
A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
答案 BD
2．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u.
(1)写出聚变方程；
(2)求释放出的核能；
(3)求平均每个核子释放的能量．
答案 (1)5ab42c261b270ae7f4a56505e7fdab27.png
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(3)2.08 MeV
解析 (1)聚变方程5ab42c261b270ae7f4a56505e7fdab27.png
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(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u，
释放的核能ΔE＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV
(3)平均每个核子放出的能量为
E＝a93eb613b145ab5d35afe62bf0945474.png
3．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大
C．聚变反应中粒子的平均结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大
答案 B
4．(2014·北京·14)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)( )
A．(m1＋m2－m3)c
B．(m1－m2－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2
D．(m1－m2－m3)c2
答案 C
解析 由质能方程ΔE＝Δmc2，其中Δm＝m1＋m2－m3
可得ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，选项C正确．
5．1994年3月，中国科学院等研制成功了比较先进的HT－7型超导托卡马克．如图1所示，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是torodal(环形的)，kamera(真空室)，magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．
图1
根据以上信息，下列判断中可能正确的是( )
A．核反应原理是氘原子核在装置中聚变成氦核，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氘核等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．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地发生
答案 ABD
解析 可控核聚变在实验阶段已有大的进展，原料是氘或其同位素等轻核，A对．由于聚变温度太高，没有什么容器能够耐这么高的温度，但磁场可以把它们约束在一个小范围内，因此B对．我国秦山、大亚湾核电站的核反应为裂变，而不是聚变，所以C错．这种反应人们在实验室里可以人为控制反应速度，不过离实用阶段还有一段距离，所以D对．
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3c982f845dbfc77da26925c52cc58bd6318693eb.html
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