高考物理大题突破：核聚变原理与能量转换计算技巧

核聚变是轻原子核（如氘、氚）在极端高温高压条件下结合成较重原子核（如氦）的过程，释放巨大能量。其核心原理包括：

1. 质量亏损与质能方程

根据爱因斯坦质能方程 ( E = Delta m c^2 )，聚变反应中生成物的总质量小于反应物，质量差（(Delta m)）转化为能量。例如，氘氚聚变反应中每千克燃料可释放约 (3.37

imes 10^{14} ,

ext{J}) 的能量，相当于8万吨TNT当量。

2. 结合能曲线分析

轻核聚变释放能量的根本原因在于结合能的变化。铁之前的元素每核子平均结合能较低，聚变后生成更稳定的核（如氦），结合能更高，系统总能量降低，差值以热能形式释放。

3. 触发条件与量子隧穿

需克服库仑势垒（约65亿开尔文温度），但实际通过量子隧穿效应可在较低温度（如太阳核心1500万K）实现聚变。人工可控核聚变主要依赖磁约束（托卡马克）或惯性约束（激光压缩）技术。

二、能量转换计算技巧

高考大题常涉及核聚变能量计算，需掌握以下步骤：

1. 确定反应式与质量亏损

例如：

[

^2_1

ext{H} + ^3_1

ext{H} rightarrow ^4_2

ext{He} + ^1_0

ext{n} + 17.6 ,

ext{MeV}

]

计算氘（(^2_1

ext{H})）和氚（(^3_1

ext{H})）的总质量与生成物氦（(^4_2

ext{He})）和中子的质量差，再代入 (E = Delta m c^2)。

2. 单位换算技巧

原子质量单位（u）与能量转换：(1 ,

ext{u} = 931.5 ,

ext{MeV}/c^2)

常见反应能量：氘氚聚变单次释放约17.6 MeV，1 kg燃料完全反应释放能量约 (1.75

imes 10^8 ,

ext{kWh})（考虑效率约44%）。

3. 注意易错点

静止质量与动质量：仅计算静止质量亏损，忽略相对论效应。

有效数字：高考要求保留2-3位有效数字，如 (6.85 ,

ext{g}) 质量亏损对应 (6.16

imes 10^{14} ,

ext{J})。

三、高考高频考点与例题解析

1. 结合能曲线应用

例题：比较 (^4_2

ext{He}) 与 (^2_1

ext{H}) 的每核子结合能，解释为何聚变释放能量。

解析：氦的每核子结合能（约7 MeV）高于氘（约1 MeV），结合能差即为释放能量。

2. 质能方程计算

例题：1 kg氘完全聚变成氦，释放多少能量？（已知氘核质量2.0141 u，氦核4.0026 u）

解析：

单次反应质量亏损：(2

imes 2.0141

4.0026 = 0.0256 ,ext{u})

总能量：(0.0256

imes 931.5 ,

ext{MeV}

imes 10^{3} ,

ext{反应次数}) → 约 (6.3

imes 10^{14} ,

ext{J})。

3. 综合应用题

例题：托卡马克装置中，氘氚等离子体温度 (1.5

imes 10^8 ,

ext{K})，若约束时间0.1秒，求需多少燃料维持功率1 GW？

解析：结合能量输出公式 (P = frac{E}{t}) 和质能方程，计算燃料质量约 (6 ,

ext{mg/s})。

四、备考策略与规范答题

1. 知识体系构建

梳理核反应类型（聚变、裂变、衰变）的区别，重点掌握轻核聚变条件与能量释放逻辑。

结合能曲线、质能方程、反应式书写需熟练。

2. 规范答题要点

分步列式：明确写出质量亏损计算、质能方程代入过程。

单位标注：能量单位需统一为焦耳（J）或电子伏特（eV）。

科学记数法：如 (6.85 ,

ext{g} = 0.00685 ,

ext{kg})，避免数量级错误。

3. 真题训练建议

精练近5年高考题，重点突破结合能分析、能量计算类大题（如2023年全国卷Ⅰ第25题）。

总结高频陷阱：如混淆质量亏损与动质量、单位未换算等。

五、拓展与前沿链接

1. 国际热核聚变实验堆（ITER）：中国参与的全球最大托卡马克项目，目标实现Q值（输出/输入能量比）≥10。

2. 激光惯性约束：美国国家点火装置（NIF）通过高能激光压缩燃料靶丸实现短暂聚变。

通过系统掌握以上内容，可突破核聚变相关大题，同时提升对现代物理前沿的理解与应用能力。