人教版高中物理精講精練-選擇性必修35.4核裂變與核聚變 解析版

5.4核裂變與核聚變

【考點歸納】

考點一：鈾核的核裂變方程

考點二：計算核裂變放出的能量

考點三：典型的核聚變方程

考點四：計算核聚變放出的能量

考點五：受控?zé)岷朔磻?yīng)

考點六：核裂變與聚變的綜合問題

【知識歸納】

知識點一、核裂變的發(fā)現(xiàn)

1．核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)定名為核裂變．

2．鈾核裂變

235

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92U＋

1144891

0n→56Ba＋36Kr＋30n.

3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

中子轟擊重核發(fā)生裂變后，裂變釋放的中子繼續(xù)與其他重核發(fā)生反應(yīng)，引起新的核裂變，使核裂變反應(yīng)一代接一代

繼續(xù)下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．

4．臨界體積和臨界質(zhì)量：核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量．

知識點二、反應(yīng)堆與核電站

1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：

(1)燃料：鈾棒．

(2)慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)．

(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，當(dāng)反

應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒．

2．工作原理

核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的

熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻．

3．核污染的處理

在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入

特制的容器，深埋地下．

技巧歸納．核電站的主要部件及作用

組成部分材料作用

裂變材料(核燃料)濃縮鈾提供核燃料

石墨、重水或普通水

減速劑(慢化劑)使裂變產(chǎn)生的快中子減速

(也叫輕水)

控制棒鎘棒吸收中子，控制反應(yīng)速度

熱交換器水或液態(tài)的金屬鈉傳輸熱量

防止放射線泄露，對人體及

防護層厚水泥層

其他生物體造成傷害

知識點三、核聚變

1．定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變．

2341

2．核反應(yīng)方程：1H＋1H→2He＋0n＋17.6MeV.

3．條件：使輕核的距離達到10－15m以內(nèi)．

方法：加熱到很高的溫度．

4．宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內(nèi)部的氫核聚變成氦核釋放的核能．

5．人工熱核反應(yīng)：氫彈．首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸．

6．核聚變與核裂變的比較

(1)優(yōu)點：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔．

(2)缺點：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．

解決方案：磁約束和慣性約束．

技巧歸納：重核裂變與輕核聚變的區(qū)別

重核裂變輕核聚變

重核分裂成兩個或多個中等兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的

放能原理

質(zhì)量的原子核，放出核能原子核，放出核能

放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍

【題型歸納】

題型一：鈾核的核裂變方程

1．（22-23高二下·云南玉溪·期末）下列核反應(yīng)屬于裂變反應(yīng)的是（）

161161

A．8O＋0n→7N＋1H

301301

B．14Si＋1H→15P＋0n

2351144891

C．92U＋0n→56Ba＋36Kr＋30n

2262224

D．88Ra→86Rn＋2He

【答案】C

【詳解】AB表示的兩個核反應(yīng)都屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，D表示的核變化屬于放射性元素原子核的衰變，只有C

表示的核反應(yīng)才屬于原子核的裂變反應(yīng)，故ABD錯誤，C正確。

故選C。

2．（23-24高三上·湖北·階段練習(xí)）2023年8月25日，中核集團發(fā)布消息：“中國環(huán)流三號”首次實現(xiàn)100萬安培等

離子體電流下的高約束模式運行。這標(biāo)志著中國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步。下列

屬于核聚變反應(yīng)的是（）

2342340

A．90Th91Pa1e

144171

B．7N2He8O1H

2351144891

C．92U0n56Ba36Kr30n

2341

D．1H1H2He0n

【答案】D

【詳解】A．該方程為衰變的方程，故A錯誤；

B．該方程為原子核的人工轉(zhuǎn)變方程，故B錯誤；

C．該方程為重核裂變的方程，故C錯誤；

D．該方程為輕核聚變反應(yīng)方程，故D正確。

故選D。

3．（21-22高二下·江蘇蘇州·期中）釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）是第四代核能系統(tǒng)之一，其中釷基核燃料鈾由較

難裂變的釷吸收一個中子后經(jīng)過若干次衰變而來；鈾的一種典型裂變產(chǎn)物是鋇和氪。以下說法正確的是（）

2331142891

A．題中鈾核裂變的核反應(yīng)方程為92U0n56Ba36Kr50n

B．釷核衰變的快慢由原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件決定

232232

C．針核90Th經(jīng)過2次衰變可變成鏷91Pa

D．在鈾核裂變成鋇和氪的核反應(yīng)中，核子的比結(jié)合能增大

【答案】D

【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒可知，鈾核裂變的核反應(yīng)方程為

2331142891

92U0n56Ba36Kr30n

故A錯誤；

B．原子核的半衰期由核內(nèi)部自身因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，故B錯誤；

232232

C．釷核（90Th）經(jīng)過1次β衰變可變成鏷（91Pa），故C錯誤；

D．重核裂變的過程中釋放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比結(jié)合能增大，所以在鈾核裂變成鋇和氪

的核反應(yīng)中，核子的比結(jié)合能增大，故D正確。

故選D。

題型二：計算核裂變放出的能量

4．（22-23高二下·江蘇南通·階段練習(xí)）我國自主研發(fā)的“玲瓏一號”核反應(yīng)堆，是全球最小的商用核反應(yīng)堆，核反應(yīng)

235＋1144＋y＋1＋144235144y1

方程為92U0nxBa36Kr30nγ，反應(yīng)產(chǎn)物xBa會發(fā)生β衰變。已知核92U、xBa、36Kr和0n質(zhì)量分別是

235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u，1u為1.66×10－27kg，光速c＝3×108m/s。則下列說法正確的是（）

A．核反應(yīng)方程中的x＝57，y＝89

235144

B．92U核的比結(jié)合能小于xBa核的比結(jié)合能

C．xBa的衰變方程為xBa＋0n→57X＋1e

D．一個鈾核裂變放出的核能約為3.21010J

【答案】B

【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知核反應(yīng)方程中的

x＝56，y＝89

故A錯誤；

235144

B．核反應(yīng)的產(chǎn)物比反應(yīng)物更穩(wěn)定，而比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定，因此可知92U核的比結(jié)合能小于xBa核的比

結(jié)合能，故B正確；

144

C．根據(jù)題意可知，xBa會發(fā)生β衰變，因此可得其衰變方程為

1441440

xBa57Ba1e

故C錯誤；

D．根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程有

Emc2(235.0439u1.0087u140.9139u91.8973u31.0087u)c2

解得

ΔE3.221011J

故D錯誤。

故選B。

5．（22-23高三下·山東·階段練習(xí)）2022年6月23日21時53分，隨著168小時試運行試驗圓滿完成，遼寧紅沿河

核電站6號機組（如圖所示）正式具備商業(yè)運行條件，標(biāo)志著紅沿河核電站一期和二期工程共6臺機組全面投產(chǎn)。

235

現(xiàn)代核電站主要是通過可控鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)來實現(xiàn)核能的和平利用。已知一個92U原子核在中子的轟擊下發(fā)生裂變

2351144891

反應(yīng)，其裂變方程為92U0n56Ba36Kr30n，下列說法正確的是（）

1235144891

A．裂變方程式左右兩邊都有中子0n，可以改寫成92U56Ba36Kr20n

B．裂變反應(yīng)釋放出大量的核能，也叫熱核反應(yīng)

144235

C．裂變釋放能量，56Ba原子核的比結(jié)合能比92U原子核的大

89235

D．裂變釋放能量，36Kr原子核的結(jié)合能比92U原子核的大

【答案】C

235114489111

【詳解】A．裂變反應(yīng)92U0n56Ba36Kr30n中左右兩邊都有中子0n，這是核反應(yīng)原理，必須有中子0n的參

235144891

與，不能改寫成92U56Ba36Kr20n，A錯誤；

B．輕原子核的聚變才叫熱核反應(yīng)，B錯誤；

235144144235144

C．比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，92U原子核裂變得到56Ba原子核，說明56Ba原子核比92U原子核穩(wěn)定，即56Ba

235

原子核的比結(jié)合能比92U原子核的大，C正確；

2358989235

D．結(jié)合能與核子數(shù)有關(guān)，92U原子核的核子數(shù)遠大于36Kr原子核的核子數(shù)，所以36Kr原子核的結(jié)合能比92U原子

核的小，D錯誤。

故選C。

6．（22-23高三上·山東·開學(xué)考試）我國“華龍一號”是當(dāng)前核電市場接受度最高的三代核電機型之一，其全面建成有

力支撐了我國由核電大國向核電強國跨越。核反應(yīng)堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。

235114192

92U0n56Ba36KraX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個數(shù)，用mU、

23514192

mBa、mKr分別表示92U、56Ba、36Kr核的質(zhì)量，mX表示X粒子的質(zhì)量，c為真空中的光速，以下說法正確的是（）

23514192

A．92U的結(jié)合能小于56Ba與36Kr的結(jié)合能之和

B．X為中子，a=2

235141

C．92U的比結(jié)合能比56Ba的大

2

D．上述核反應(yīng)中放出的核能E=(mU－mBa－mKr－3mX)c

【答案】A

14192235

【詳解】A．核裂變要釋放能量，則核裂變產(chǎn)物56Ba與36Kr的結(jié)合能之和一定大于原來重核92U的結(jié)合能，A正確；

B．由電荷數(shù)守恒知X的電荷數(shù)為0，故X為中子，由質(zhì)量數(shù)守恒知

a=3

B錯誤；

235141

C．核裂變過程釋放能量，比結(jié)合能變大，則92U的比結(jié)合能比56Ba的小，C錯誤；

D．由題意知，核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損

m=mU－mBa－mKr－2mX

由質(zhì)能方程可知，釋放的核能

2

E=(mU－mBa－mKr－2mX)c

D錯誤。

故選A。

題型三：典型的核聚變方程

23

7．（2024·全國·模擬預(yù)測）關(guān)于核聚變方程21H2HeXγ，下列說法正確的是（）

A．核反應(yīng)方程中X為正電子

B．該核反應(yīng)電荷和質(zhì)量都守恒

32

C．2He的比結(jié)合能比1H的比結(jié)合能大

D．γ射線是核外電子從高能級向低能級躍遷時產(chǎn)生的

【答案】C

【詳解】A．核反應(yīng)方程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，故X質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，故X不是電子，而是中子，故A

錯誤；

B．核聚變反應(yīng)過程放出能量，質(zhì)量減小，故B錯誤；

32

C．比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，該聚變反應(yīng)放出能量，生成物更穩(wěn)定，故2He的比結(jié)合能大于1H的比結(jié)合能，

故C正確；

D．γ射線是來源于原子核的能級躍遷，而不是核外電子的能級躍遷，故D錯誤。

故選C。

8．（2023·江西鷹潭·模擬預(yù)測）我國自主研發(fā)的東方超環(huán)（EAST）是國際首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，有

“人造太陽”之稱。“人造太陽”核反應(yīng)方程可能是（）

94121

A．4Be2He6C0n

2382344

B．92U90Th2He

2321

C．1H1H1He0n

2351136901

D．92U0n54Xe38Sr100n

【答案】C

【詳解】“人造太陽”核反應(yīng)屬于輕核聚變核反應(yīng)，A是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程；B是α衰變方程；D是核裂變方程，

只有C是輕核聚變核反應(yīng)。

故選C。

9．（22-23高二下·云南保山·期末）全超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置（EAST）實現(xiàn)了1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，

223

這是目前世界上高溫等離子體運行的最長時間。該裝置內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)方程為1H1H2HeX，下列關(guān)于該核

反應(yīng)的說法正確的是（）

A．X為中子B．反應(yīng)前后核的總質(zhì)量相等

C．反應(yīng)過程中吸收了大量的能量D．反應(yīng)過程中中子數(shù)減少了1個

【答案】A

【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知X的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，則X為中子，故A正確；

BC．核反應(yīng)放出能量，有質(zhì)量虧損，可知反應(yīng)后的質(zhì)量小于反應(yīng)前的質(zhì)量，故BC錯誤；

D．反應(yīng)過程中質(zhì)子數(shù)保持不變，核子總數(shù)保持不變，則中子數(shù)保持不變，故D錯誤。

故選A。

題型四：計算核聚變放出的能量

32

10．（22-23高二下·江蘇南京·期末）利用

2He與

1H的核聚變發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體，不產(chǎn)生放射性物質(zhì)，是一種十

3

分清潔、安全和環(huán)保的能源，開發(fā)月球土壤中蘊藏豐富的

2He資源，對人類社會今后的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

324324

該核反應(yīng)可表示為

2He1H2HeX，若

2He、1H和

2He的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，設(shè)聚變過程中釋放的核能

都轉(zhuǎn)化為光子的能量，下列說法正確的是（）

A．反應(yīng)產(chǎn)物X為電子

2

B．該反應(yīng)釋放的核能ΔEm1m2m3c

h

C．光子的波長2

m1m2m3c

D．輕核聚變與重核裂變相比產(chǎn)能效率更低

【答案】B

【詳解】A．根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為1，則反應(yīng)產(chǎn)物X為質(zhì)子，選項A

錯誤；

B．該反應(yīng)釋放的核能

22

ΔEm1m2m3mXcm1m2m3c

選項B正確；

C．根據(jù)

hc

E

可得光子的波長

h

m1m2m3mXc

選項C錯誤；

D．輕核聚變與重核裂變相比產(chǎn)能效率更高，選項D錯誤。

故選B。

11．（22-23高二下·重慶沙坪壩·期末）超導(dǎo)托卡馬克EAST裝置被譽為“人造太陽”，實現(xiàn)了高功率403秒穩(wěn)態(tài)長脈

23

沖高約束模等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。設(shè)可控?zé)岷朔磻?yīng)前氘核（1H）的質(zhì)量為m1，氚核（1H）的質(zhì)量

41

為m2，反應(yīng)后氦核（2He）的質(zhì)量為m3，中子（0n）的質(zhì)量為m4，已知真空中的光速為c。下列說法中正確的是

（）

2341

A．核反應(yīng)方程為1H+1H2He+20n

B．熱核反應(yīng)釋放出了氦核，是衰變

2

C．核反應(yīng)釋放的能量為m1m2m3m4c

D．核反應(yīng)過程中反應(yīng)物的結(jié)合能比生成物的結(jié)合能大

【答案】C

【詳解】A．核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒，選項中核電荷數(shù)不守恒，故A項錯誤；

B．這種熱核實驗反應(yīng)是核聚變反應(yīng)，而不是自發(fā)發(fā)生的衰變，B項錯誤；

C．可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是

2341

1H+1H2He+0n

核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損，因此

m1m2m3m4

核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損

mm1m2m3m4

核反應(yīng)釋放的能量為

22

Emcm1m2m3m4c

C項正確；

D．因輕核聚變反應(yīng)釋放巨大核能，說明拆開的結(jié)合能小于組合的結(jié)合能，生成物的結(jié)合能大，D項錯誤。

故選C。

12．（2023·廣東東莞·一模）在《物理評論快報》論文中，中國錦屏深地實驗室核天體物理實驗（JUNA）研究團隊

13161

通過直接測量，為核反應(yīng)6CX8O0n提供日前最精確的反應(yīng)率數(shù)據(jù)，澄清此前國際實驗數(shù)據(jù)間數(shù)倍的分歧，

13161

解決“點石成金”中鐵元素俘獲慢中子變成超鐵元素的中子源的問題。已知該反應(yīng)中6C、X、8O、0n的質(zhì)量分別為

m1、m2、m3、m4，真空中的光速為c，該反應(yīng)中釋放的能量為E。下列說法正確的是（）

4

A．該反應(yīng)屬于裂變反應(yīng)B．X為氦核2He

22

C．Em1m2m3m4cD．Em1m2m3m4c

【答案】B

【詳解】A．該反應(yīng)屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，A錯誤；

4

B．根據(jù)核反應(yīng)遵循的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知X的質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2，為氦核2He，核反應(yīng)方程

134161

6C2He8O0n

B正確；

CD．根據(jù)質(zhì)能方程可知，由于質(zhì)量虧損該反應(yīng)放出的能量為

2

Em1m2m3m4c

CD錯誤。

故選B。

題型五：受控?zé)岷朔磻?yīng)

13．（22-23高二下·廣東肇慶·期中）如圖所示為核反應(yīng)堆的示意圖，鈾棒是核燃料，其中一種反應(yīng)方程為

2351144891

92U0n56Ba36Kr30n，則下列說法正確的是（）

A．鈾核的比結(jié)合能比鋇核的小B．該反應(yīng)為熱核反應(yīng)

C．鎘棒插入深一些可增大鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響

【答案】A

【詳解】A．在該核反應(yīng)中，會釋放出大量的能量，因為比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，可知鈾核的比結(jié)合能比鋇

核的小，A正確；

B．該反應(yīng)為重核裂變反應(yīng)，不是熱核反應(yīng)，B錯誤；

C．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，可增大鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，C錯誤；

D．鈾核的半衰期與環(huán)境溫度無關(guān)，因此鈾核的半衰期不會受到環(huán)境溫度的影響，D錯誤。

故選A。

14．（21-22高二下·河北滄州·期末）2022年5月2日，作為中國東北地區(qū)第一座核電站及最大的能源投資項目，遼

寧紅沿河核電站6號機組首次并網(wǎng)發(fā)電。有關(guān)核反應(yīng)和核能，下列說法正確的是（）

A．目前核能發(fā)電是利用核聚變，氫彈是利用核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理

B．核潛艇的動力裝置是核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆中用鎘棒控制核裂變的反應(yīng)速度

C．核電站設(shè)備應(yīng)用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，當(dāng)鈾塊的體積小于臨界體積時就會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

D．原子核必須在超高溫下才能發(fā)生聚變，說明核聚變過程需要吸收能量

【答案】B

【詳解】A．目前核能發(fā)電是利用核裂變，原子彈是利用核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理，氫彈利用的是核聚變，故A錯誤；

B．核反應(yīng)堆中插入鎘棒為了吸收中子，控制核裂變的反應(yīng)速度，故B正確；

C．當(dāng)鈾塊的體積大于或等于臨界體積，并有慢中子能夠被俘獲時，就會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，瞬時放出巨大能量，故C

錯誤；

D．盡管核聚變在高溫高壓下才能發(fā)生，但聚變過程會放出能量，故D錯誤。

故選B。

15．（20-21高二下·山東青島·期末）中國的“人造太陽”，又稱東方超環(huán)，全稱是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，

是中國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置。2021年5月28日，中國的“人造太陽”實現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101

秒等離子體運行，刷新了世界紀(jì)錄。所謂“人造太陽”，就是在地球上模擬太陽內(nèi)部發(fā)生的核聚變反應(yīng)，為人類提供

221

源源不斷的清潔能源。其內(nèi)部發(fā)生的一種核聚變反應(yīng)方程為1H+1HX+0n，下列說法正確的是（）

4

A．反應(yīng)產(chǎn)物X為2He

2

B．核聚變后的產(chǎn)物X比結(jié)合能小于1H的比結(jié)合能

C．可控的人工輕核聚變與核裂變相比更為安全、清潔

D．要實現(xiàn)核聚變，需要將輕核加熱到很高的溫度，使它們具有足夠的動能克服核力作用而碰撞結(jié)合在一起

【答案】C

3

【詳解】A．根據(jù)核聚變反應(yīng)方程滿足質(zhì)子數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可知反應(yīng)物X為2He，選項A錯誤；

2

B．比結(jié)合能越大，物質(zhì)越穩(wěn)定，所以核聚變后的產(chǎn)物X比結(jié)合能應(yīng)大于1H的比結(jié)合能，選項B錯誤；

C．可控的人工輕核聚變產(chǎn)物為氦核，沒有輻射和污染，所以與核裂變相比更為安全、清潔，選項C正確；

D．核聚變反應(yīng)，又稱熱核反應(yīng)，需要超高溫度，選項D錯誤。

故選C。

題型六：核裂變與聚變的綜合問題

23

16．（23-24高二下·河北保定·期中）一個氘核（1H）和一個氚核（1H）發(fā)生聚變時，可以得到一個氦核和一個中

234

子，已知1H的比結(jié)合能是1.09MeV，1H的比結(jié)合能是2.78MeV，2He的平均結(jié)合能是7.03MeV，中子的結(jié)合能為

零。

（1）寫出聚變時核反應(yīng)方程；

（2）求發(fā)生聚變時釋放的能量；

（3）求發(fā)生聚變時虧損的質(zhì)量（c=3.0×108m/s）。

2＋341-29

【答案】（1）1H1H2He+0n；（2）17.6MeV；（3）3.13×10kg

【詳解】（1）核反應(yīng)方程為

2＋341

1H1H2He+0n

（2）聚變反應(yīng)前'核和氳核的結(jié)合能為

E1=（1.09×2+2.78×3）MeV=10.52MeV

反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能為

E2=7.03×4MeV=28.12MeV

由于單個核子無結(jié)合能，即中子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為

EE2E1=（28.12-10.52）MeV=17.6MeV

（3）由質(zhì)能方程可知

Emc2

由單位換算關(guān)系可知1eV=1.6×10-19J，則

△E=17.6MeV=2.816×10-12J

代入可得

△m=3.13×10-29kg

17．（23-24高二下·河北·期中）輕核聚變是比重核裂變產(chǎn)能效率更高的反應(yīng)，在宇宙中時時刻刻進行著，太陽就是

2314

一個巨大的反應(yīng)堆。若一個氘核（1H）和一個氚核（1H）聚變時產(chǎn)生一個中子（0n）和一個α粒子（2He）。已知

氘核的質(zhì)量為mD，氚核的質(zhì)量為mT，中子的質(zhì)量為mn，α粒子的質(zhì)量為mα，光速為c，元電荷電荷量為e，普朗克

常量為h。

（1）寫出核反應(yīng)方程，并求一個氘核和一個氚核聚變時釋放的核能E；若此核能以一對同頻率的光子向相反方向

放出，求此光子的頻率；

（2）反應(yīng)放出的α粒子在與勻強磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運動，若α粒子的速度大小為v，磁感應(yīng)強度大小為B，求

α粒子在磁場中做圓周運動的周期T和等效電流I的大小。

22

23142mDmTmnmcm2eB

【答案】（1）1H1H0n2He，ΔEmDmTmnmαc，；（2）T，I

2heBm

【詳解】（1）核反應(yīng)方程

2314

1H1H0n2He

由愛因斯坦質(zhì)能方程可得，反應(yīng)釋放的核能

22

ΔEΔmcmDmTmnmαc

由E2h得

2

ΔEmmmmc

DTn

2h2h

（2）設(shè)軌跡半徑為R，由洛倫茲力提供向心力

v2

2evBm

R

其中

2R

T

v

得粒子在磁場中運動的周期

m

T

eB

由電流定義式

2e

I

T

得環(huán)形電流大小

2e2B

I

m

18．（21-22高二下·江蘇蘇州·期中）兩個氘核以相等動能Ek=0.5MeV相向運動并發(fā)生正碰，產(chǎn)生一個中子和一個氦

核，已知氘核質(zhì)量mD=2.0136u，氦核質(zhì)量mHe=3.0150u，中子質(zhì)量mn=1.0087u，1u相當(dāng)于931.5MeV，取阿伏伽德

23-1

羅常數(shù)NA=6.0×10mol。結(jié)果均保留三位有效數(shù)字。

（1）計算這次反應(yīng)釋放多少核能；

（2）求中子和氦核的動能分別為多少；

（3）若共有1g的氘核完全反應(yīng)，求放出的總能量。

【答案】（1）3.26MeV；（2）3.195MeV，1.065MeV；（3）7.824×1010J

【詳解】（1）由題可知反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損為

（）

Δm=2mD-mHe-mn=2×2.0136-3.0150-1.0087u=0.0035u

則釋放的能量為

ΔE=Δmc2=0.0035931.5MeV3.26MeV

（2）因碰撞過程中動量守恒，反應(yīng)前后總動量為零，所以中子與氦核動量大小相等，方向相反，由公式

p2

E

k2m

可得

Em3

knHe

EkHemn1

又由能量守恒有

Ekn+EkHe=ΔE+2Ek=4.26MeV

解得

Ekn3.195MeV，EkHe1.065MeV

（3）1g的氘含有的原子數(shù)為

m1

N=N=6.01023個=31023個

MA2

N

發(fā)生核反應(yīng)的次數(shù)為，故放出的總能量為

2

N31023

E=ΔE=3.261061.610-19J=7.8241010J

22

【課堂過關(guān)精練】

19．（2024·廣東·二模）科幻片《流浪地球2》再次帶領(lǐng)大家回到“氦閃”的世界?！昂らW”的本質(zhì)是恒星內(nèi)部的氦核聚

444

變，其核聚變反應(yīng)方程為2He2He2HeX。已知一個氦核的質(zhì)量為m1，一個X核的質(zhì)量為m2，一個質(zhì)子的質(zhì)

量為mp，一個中子的質(zhì)量為mn，真空中的光速為c，則下列說法正確的是（）

A．該核反應(yīng)方程中的X是氮核

4

B．2He核的比結(jié)合能大于X核的比結(jié)合能

2

C．該聚變反應(yīng)釋放的核能為m1m2c

2

6mp6mnm2c

D．X核的比結(jié)合能為

12

【答案】D

【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，X的電荷數(shù)為6，質(zhì)量數(shù)為12，X是碳核，故A錯誤；

44

B．聚變反應(yīng)釋放能量，表明X核比2He核更加穩(wěn)定，則2He核的比結(jié)合能小于X核的比結(jié)合能。故B錯誤；

C．根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，該聚變反應(yīng)釋放的核能

2

E3m1m2c

故C錯誤；

D．根據(jù)比結(jié)合能的定義可知，X核的比結(jié)合能為

2

6mp6mnm2c

12

故D正確。

故選D。

20．（23-24高二下·河北石家莊·期中）1986年4月26日，切爾諾貝利核電站4號機組反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，成為迄今

為止世界上最嚴(yán)重的核泄漏事故。事故導(dǎo)致31人當(dāng)場死亡，上萬人由于放射性物質(zhì)長期影響而致命或重病，其中

一種放射性元素為碘131，已知碘131的半衰期為8天。下列說法正確的是（）

A．核反應(yīng)堆利用鎘棒吸收中子，從而控制核反應(yīng)的速度

B．200個碘131原子核經(jīng)過16天后一定還有50個未衰變

1311310

C．碘131發(fā)生衰變的方程是53I52Xe1e

2351144891

D．核反應(yīng)堆中可能發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)92U0n56Ba36Kr30n屬于核聚變

【答案】A

【詳解】A．核反應(yīng)堆利用鎘棒吸收中子，從而控制核反應(yīng)的速度，故A正確；

B．半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計結(jié)果，對少量原子核衰變不適用，故B錯誤；

C．碘131發(fā)生衰變的過程中放出電子，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得發(fā)生衰變的方程為

1311310

53I54Xe1e

故C錯誤；

2351144891

D．核反應(yīng)堆中可能發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)92U0n56Ba36Kr30n屬于核裂變，故D錯誤。

故選A。

22

21．（23-24高二下·江蘇南通·期中）我國科學(xué)家在蘭州重離子加速器上開展的實驗中發(fā)現(xiàn)，靜止的鎂核（12Mg）放

出兩個質(zhì)子后變成氖核（），同時放出γ射線，核反應(yīng)方程為：22A1。則下列說法錯誤的是（）

Ne12MgZNe+21H．．

A．Z=10，A=20

B．γ射線具有很強的穿透本領(lǐng)

C．該反應(yīng)屬于核裂變

D．該反應(yīng)一定釋放能量

【答案】C

【詳解】A．根據(jù)反應(yīng)過程中滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知

Z122110，A222120

故A正確，不滿足題意要求；

B．γ射線具有很強的穿透本領(lǐng)，故B正確，不滿足題意要求；

C．核裂變是在中子的轟擊下一個大核變成兩個中核和多個中子，該反應(yīng)不屬于核裂變，故C錯誤，不滿足題意要

求；

D．該反應(yīng)存在質(zhì)量虧損，一定釋放能量，故D正確，不滿足題意要求。

故選C。

22．（2024·湖北·三模）2023年11月6日，全球首座第四代核電站在山東石島灣并網(wǎng)發(fā)電，這標(biāo)志著我國在高溫氣

235235

冷堆核電技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先全球。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的第三代核電站主要利用鈾（92U）裂變產(chǎn)能，鈾（92U）的一種典型

14489

裂變產(chǎn)物是鋇（56Ba）和氪（36Kr）。下列說法正確的是（）

235

A．92U有92個中子，143個質(zhì)子

235144

B．鈾原子核92U的結(jié)合能大于鋇原子核56Ba的結(jié)合能

C．重核裂變成中等大小的核，核的比結(jié)合能減小

235144891

D．上述裂變反應(yīng)方程為：92U56Ba36Kr20n

【答案】B

235

【詳解】A．92U有92個質(zhì)子，143個中子，故A錯誤；

235144

B．原子序數(shù)越大的原子核的結(jié)合能越大，所以鈾原子核92U的結(jié)合能大于鋇原子核56Ba的結(jié)合能，故B正確；

C．重核裂變成中等大小的核，中等大小的核更穩(wěn)定，核的比結(jié)合能變大，故C錯誤；

D．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知裂變反應(yīng)方程為

2351144891

92U0n56Ba36Kr30n

故D錯誤。

故選B。

23．（2024·河北·一模）統(tǒng)計顯示，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)

235144891

B．發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核反應(yīng)方程為92U56Ba36Kr20n

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

【答案】D

【詳解】A．要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，鈾塊必須達到臨界體積，故A錯誤；

B．只有中子轟擊鈾核，才能發(fā)生裂變反應(yīng)，其方程為

2351144891

92U0n56Ba36Kr30n

故B錯誤；

C．在核反應(yīng)堆中，中子的速度越快，會與鈾235“擦肩而過”，鈾核越不容易發(fā)生核裂變，故C錯誤；

D．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。

故選D。

（3）

24．（22-23高二下·全國·課前預(yù)習(xí)）利用氦32He和氘進行的聚變反應(yīng)安全無污染，容易控制。月球上有大量的氦

3，每個航天大國都將獲取氦3作為開發(fā)月球的重要目標(biāo)之一、已知兩個氘核聚變生成一個氦3和一個中子的核反

231

應(yīng)方程是：21H2He0n3.26MeV，若有2g氘全部發(fā)生聚變，則釋放的能量是（NA為阿伏加德羅常數(shù)）（）

A．0.53.26MeVB．3.26MeV

C．0.5NA3.26MeVD．NA3.26MeV

【答案】C

【詳解】2g氘共有NA個氘核，每2個氘核反應(yīng)就放出3.26MeV能量，所以釋放的能量為0.5NA3.26MeV。

故選C。

23

25．（22-23高二下·陜西寶雞·期末）一個氘核(1H)和一個氚核(1H)發(fā)生聚變時，可以得到一個氦核和一個中子，已

234

知1H的平均結(jié)合能是1.09MeV，1H的平均結(jié)合能是2.78MeV，2He的平均結(jié)合能是7.03MeV，中子的結(jié)合能為零，

則

（1）寫出聚變時核反應(yīng)方程；

（2）發(fā)生聚變時釋放的能量。

2341

【答案】（1）1H1H2H0n；（2）E17.6MeV

【詳解】（1）核反應(yīng)方程為

2341

1H1H2H0n

（2）聚變反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能為

E1=(1.09×2+2.78×3)MeV=10.52MeV

反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能為

E2=7.03×4MeV=28.12MeV

由于單個核子無結(jié)合能，即中子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為