Ядерний реактор. Використання енергії атому людством.

 

 

 

Підготувала: вчитель фізики Коваль Ірина Іванівна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

У роботі розкрито питання формування особистості учня на основі застосування новітніх педтехнологій.

Головна мета педагога полягає в тому, щоб розвивати у учнів якості лідера, прагнення бути успішною особистістю. Для цього на уроках необхідно розвивати учня, а не тільки передавати знання.

Навчаючи учнів здобувати знання, проваджую особистісно зорієнтовані технології. Проводжу нетрадиційний урок, який представлено в цій роботі.

Прагнення до самостійності, яке притаманне підліткам і старшокласникам, має стати основою проведення нетрадиційного уроку, творча робота учнів є залучення їх до активної діяльності. При вивченні теми «Ядерний реактор. Використання ядерної енергії» проводжу урок «90 хвилин» в ігровій формі – прес-конференцію вчених-спеціалістів у галузі ядерної фізики. На уроці використовуються комп’ютери. Учні заздалегідь готують матеріали до уроку, використовуються метод наукового проекту та науково-дослідницька діяльність. Активно проводиться аналітико-синтетична робота з таблицями, графами, дидактичними матеріалами, кінофільмами та інтерактивними технологіями.

Орієнтовний термін проведення: ІІ семестр, кінець квітня.

Список використаних джерел:

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ., М.: Прогресс, 1992.
2. О физике и физиках. Иоффэ А. Ф. – Л.: Наука, 1977.
3. Клод Карон. Статья «Любовные истории Парижа».
4. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ в.): Справ. Пособие. – М.: Высш. Шк., 1989. – 576 с.:ил.
5. Емельянов  И.Я.,  Гаврилов  П.А.,   Селивестров   Б.Н.   «Управление   и  безопасность ядерных энергетических  реакторов»  -  Москва:  «Атомиздат», 1975 г.
6. Кащеев В.П. «Ядерные энергетические установки» - Минск: «Вышейша  школа», 1989 г.
7. Кащеев  В.П.,  Левадный  В.А.  «Атомная  энергия.  Прошлое,  настоящее  и будущее» - Минск: «Вышейша школа», 1984 г.
8. Кесслер Г. «Ядерная энергетика» - Москва: «Энергоатомиздат», 1986 г.
9. Коллиер Дж.,  Хьюитт  Дж.  «Введение  в  ядерную  энергетику»  -  Москва: «Энергоатомиздат», 1989 г.
10.  Маргулова Т.Х. «Атомная энергетика сегодня и завтра»  -  Москва:  «Высшая школа», 1989 г.
11.  Маргулова Т.Х. «Атомные электрические станции» - Москва: «Высшая  школа», 1984 г.

Використані ресурси Інтернету:

12. Навчальні програми для учнів : http://www.edu.ukrsat./com/
13. НАЕК Енергоатом : http://www.energoatom.kiev.ua/
14. Сайт ЗАЕС: http://www.npp.zp.ua/
15. Сайт РАЕС :http://www.rnpp.rv.ua/
16. Росэнергоатом : http://www.rosenergoatom.ru/

 

 

 

 

 

 

 

 

Мета уроку:

Навчальна: сформувати знання учнів з теми «Ядерний реактор. Використання ядерної енергії»; систематизувати й узагальнити знання з теми: Поділ ядер урану. Ланцюгові ядерні реакції.

Розвиваюча: у процесі підготовки до уроку розвивати навички самостійної роботи з літературою; розвивати інтелект і мову, ініціативу, активність учнів, ознайомити  учнів з дією радіоактивності на людський організм та зовнішнє середовище, формувати екологічне мислення. Розвивати загальні методи пізнання експеримент і теорію. Підкреслити роль досвіду, об’єктивність законів, довести нескінченність процесу пізнання як наближення до абсолютної істини.

Виховна мета: розвивати інтерес до навчання, до читання науково-популярної та технічної літератури.

Обладнання: плакати, схеми реакторів, комп’ютер, картки на кожного учня з запитаннями тесту.

Тип уроку: комбінований

Форма: прес-конференція вчених-спеціалістів у галузі ядерної фізики.

План уроку

І. Мотивація навчальної діяльності учнів.

1). Опис проблемної ситуації.

2). Формування перед науковцями цілей і задач у ході проведення наукової конференції.

ІІ. Актуалізація опорних знань учнів.

1). Бесіда тележурналіста із науковцями.

2). Вступне слово вчителя.

3). Аналітико-синтетична робота з таблицями, графами, дидактичними матеріалами, кінофільмами.

4). Охорона праці та здоров’я людини щодо реалізації наукових задач.

ІІІ. Творча робота учнів.

Робота в групах:

1. Відділ головного інженера (конструктора, 7 учнів)
2. Відділ головного енергетика (7 учнів).
3. Відділ охорони праці (7 учнів).
4. Центр наукових досліджень (4 учнів)
5. Відділ екології (4 учнів).

IV. Підсумок роботи учнів.

 

Хід уроку-конференції

Оформлення: плакати на стіні.

1. Люди-господарі своєї долі (Шекспір).
2. Кожного дня роби хоча б одну добру справу, здатну викликати посмішку на чиємусь обличчі (Дейл Карнегі).
3. Той, хто не дивиться вперед, опиняється позаду (Іспанська приказка)
4. Стіннівка присвячена діяльності Марії Склодовської-Кюрі.

Учні об’єднанні у 5 груп, наукові відділи. Інформація видається не як доповіді, а у формі науково-виробничих звітів, у формі ділового спілкування. Під час конференції учні ставлять одне одному запитання.

 

Вступне слово вчителя: Наука пройшла  довгий і складний шлях розвитку – від єгипетських пірамід до атомних електростанцій, лазерів і космічних польотів. Людство проходить тривалий шлях від незнання до знання. Сьогодні ми ставимо перед собою питання: чи готові ми використовувати атомну енергію? Які наслідки діяльності людини у використанні ядерних технологій?

У ході нашого уроку використовується технологія роботи в групах за принципом науково-дослідницької діяльності.

Кожна з п’яти груп заздалегідь отримала завдання на пошук інформації певного напрямку у проблемі отримання енергії атома та використання її людством.

Перша група вивчала можливість використання ядерної енергії, її недоліки та позитивні фактори, що дають змогу вважати атомну енергетику перспективним джерелом енергії, також вивчала головні елементи ядерного реактора на повільних та швидких нейтронах (додаток К)

Друга група працювала над проблемою перетворення внутрішньої енергії атомних ядер в електричну енергію (додаток В).

Третя група розглядала специфіку впливу роботи АЕС на здоров’я людини та навколишнього середовища (додаток Г, Ж).

Четверта група цікавилася новинками техніки на науковими досягненнями вчених інших країн (додаток Д).

П’ята група займалася проблемами екологічного характеру (додаток А, З).

Конференція починається з бліц-інтерв’ю. Означені групи повинні відповісти на слідуючи запитання:

Питання до центру наукових досліджень:

1. Що входить до енергетичного потенціалу України.
2. З чого складається паливно-енергетичний комплекс нашої держави.
3. У 2007р. ресурсна база України становила понад  6 000 млн. т. умовного палива. Скільки це: а) кам’яного вугілля? б) нафти? в) ядерного пального?
4. В Україні видобуто: а) 220 млн. т. вугілля. б) 16 млн. т. нафти (разом з газовим конденсатом). Скільки електроенергії (в кВт*год) можно виробити за рахунок цього?
5. На яких електростанціях найдешевша електроенергія?

Питання до відділу екології:

1. Скільки за рік в атмосферу викидається: оксидів сірки (20 тис. т.); оксиду нітрогену (25 тис. т.); золи (300 тис. т.) і токсичних металів (400 т.)?
2. Наскільки за останні 10 років збільшився рівень захворювань:  онкологічних (26%), гіпертонічних (84%), психологічних розладів (21%), алергічних (85%), цукровий діабет (44%)?
3. Яке місце за тривалістю життя посідає Україна у світі (52 місце).
4. Що доказала катастрофа на ЧАЕС?
5. Як вирішується проблема ядерних і високоактивних відходів?

Питання до відділу головного інженера:

1. Що таке енергозбереження і енергоефективність?
2. Які основні завдання треба розв’язати для економії палива?
3. Що змушує людство використовувати ядерні джерела енергії?
4. Кожний блок – мільйонник на АЕС використовує 30 млн. м³ води. Яка маса води використовується протягом доби?
5. Назвати поновлювальні джерела енергії нашої держави.

 Питання до відділу головного енергетика:

1. Чому на парламентських слуханнях була вироблена «Енергетична стратегія України на період до 2030р.»?
2. Чому електроенергія вироблена з ядерного палива дорога?
3. Які електростанції сьогодні складають атомну енергетику України? Яка доля видобутку з усієї виробленої енергії (45%)?
4. Які альтернативні джерела енергії ви можете назвати?
5. Як розв’язується проблема залежності національної економіки від імпортних енергоносіїв?

Питання до відділу охорони праці:

1. Чим може обернутись екологічна безграмотність людства?
2. Як робітник на АЕС може захистити себе від дії радіоактивного випромінювання?
3. В чому вимірюється доза радіоактивності?
4. Як довго людина може працювати на АЕС без наслідків для свого здоров’я?
5. На якої відстані від великих мегаполісів може бути розташована  АЕС?

Далі слово надається керівнику 1-ої групи – головному інженеру. Головний інженер виступає за наступним планом:

1. дає визначення ядерному реактору.
2. перелічує головні елементи ядерного реактора.
3. поясняє в чому відмінність реактора на повільних нейтронах та реактора на швидких нейтронах (додаток К).

Члени 1-ої групи дають визначення: в чому полягає керівництво ядерною реакцією; що називають критичною масою; для чого потрібні графітові стержні, як ними користуються; для чого в ядерному реакторі використовується уповільнювач нейтронів.

Після виступу всіх членів груп, робимо підсумок року, проводимо тестування (додаток Б), виставляємо оцінки за урок.

Домашнє завдання:

по підручнику вчити параграф 75-76.

Додатково:

задачі № 12.47, 12.48, 12.49 за збірником Гельфгат І., Ненашев І. Фізика – 11. Харків, Гімназія, 2002 рік.

Додаток А

 

Презентація дитячої роботи

 

 

 

 

Додаток Б

Тест з теми: Фізика атомного ядра.

1. Яку інформацію несе трек частинки, зафіксований у камері Вільсона?

1. Про масу частинки
2. Енергію
3. Швидкість
4. Заряд

2. Як позначається в рівняннях альфа-частинка?
   1. ²₄He
   2. ⁴₁He
   3. ³₂He
   4. ⁴₂He
3. Яка частинка народжується при бета-розпаді?

1.   Електрон
2.   Позитрон
3.   Гама-квант
4.   Протон

4. Чим відрізняються ізотопи одного і того ж хімічного елемента?

1.   Зарядом
2.   Масою
3.   Кількістю протонів
4.   Кількістю нейтронів

5. Нейтрон – це стабільна частинка?

1.   Нестабільна частинка
2.   Стабільна частинка
3.   Це залежить від типу реакції
4.   Це залежить від температури

6. Назвіть формулу розрахунку енергії зв’язку ядер:

1.   E=m*c
2.   E=m*c2
3.   E=Δm*c2
4.   E=m*v2/2

7.  Термоядерні реакції протікають:

1.   В ядрі планети
2.   На поверхні зірок
3.   В надрах зір та Сонця
4.   На поверхні планет
   8. Реакція поділу урану супроводжується:
      1.   Виділенням енергії
      2.   Виділенням нуклонів
      3.   Виділенням теплоти
      4.   Поглинанням теплоти
   9. В ядерних реакторах використовується:

1. Радій
2. Вода
3. Вугілля
4. Тяжка вода
   10. Чи залишає в камері Вільсона видимий слід рухомий нейтрон?

1. Ні
2. Так
3. Трек схожий на «виделку»
4. Трек схожий на коло

Таблиця для заповнення учнем:

№ завдання	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
№ відповіді
1
2
3
4

Відповіді до тесту з теми:

Фізика атомного ядра.

 

Вірні відповіді:

№ завдання	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
№ відповіді
1			*		*			*		*
2	*					*			*
3	*						*
4	*	*		*

 

 

 

 

Додаток В

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии). Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий ( 2H ) и тритий ( 3H ), а в более отдалённой перспективе гелий-3 ( 3He ).

Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий:

2H + 3H = 4He + n

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3:

2H + 3He = 4He + p.

Так же возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

2H + 2H = 3H + p

и

2H + 2H = 3He + n.

Эти две реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

УТС возможен при выполнении двух критериев:

Температура плазмы:

Соблюдение критерия Лоусона:

где - плотность высокотемпературной плазмы, - время удержания плазмы в системе.

Именно от значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного исследовательского реактора ITER находится в начальной стадии.

 

Додаток Г

 

ЭКОЛОГИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

 

      Использование реакции деления тяжелых ядер  для  производства  энергии

сопровождается  вредными  факторами,  потенциально  опасными  для   биосферы

Земли. Наиболее вредный фактор – радиоактивное загрязнение.

      Атомная промышленность включает предприятия по  добыче  и  переработке

уранового сырья, обогащению урана, заводы по  изготовлению  твэлов,  атомные

электростанции,  радиохимические   заводы   по   регенерации   отработанного

топлива,  предприятия  по  переработке  и  хранению  радиоактивных  отходов.

Радиационное  воздействие  на  окружающую  среду  возможно  на   всех   этих

предприятиях. Наиболее сложные проблемы радиационной безопасности связаны  с

АЭС.

      При нормальной работе АЭС  и  предприятий  ядерного  топливного  цикла

скорость  выброса  радиоактивных  продуктов  в  окружающую  среду  тщательно

контролируется. Содержащиеся в  воздухе  радиоактивные  нуклиды  благородных

газов криптона, ксенона,  радона,  трития,  а  также  присутствие  аэрозолей

топлива и продуктов деления определяют  наличие  ионизирующего  излучения  в воздухе. Жидкие радиоактивные выбросы, попадающие в реки, большие озера  или океан, содержат тритий, продукты деления и другие вещества.

      Человек  может  подвергаться  следующим   воздействиям   ионизирующего

излучения:

     1)  внешнему  бета-  и  гамма-излучению   при   распаде   газообразных

        радиоактивных нуклидов, содержащихся в атмосфере или в воде;

     2) облучению при распаде осевших на  землю  радиоактивных  аэрозольных

        частиц;

     3)  внутреннему  облучению   при   вдыхании   радиоактивных   нуклидов

        (ингаляционному облучению);

    4)  внутреннему  облучению  в  результате   потребления   загрязненной

        радиоактивными нуклидами пищи или воды.

      Скорость и уровень выхода радиоактивных нуклидов  в  окружающую  среду

зависят от механизмов удержания этих  нуклидов,  которые,  в  свою  очередь,

определяются конструкцией защитных устройств  технологического  оборудования

топливного цикла.  Совокупность  взаимосвязанных  герметизированных  объемов

(так называемых барьеров безопасности с  низким  уровнем  утечки)  и  другие

технические меры позволяют обеспечить очень высокие  коэффициенты  удержания

радиоактивных  веществ,  или  что   то   же   самое,   низкие   коэффициенты

радиоактивных выбросов в окружающую среду.

      Также  как  и  в  других  энергоустановках,   в   которых   происходит

преобразование  тепловой  энергии  в   электрическую,   в   АЭС   необходимо

сбрасывать часть теплоты, выделяемой при  сгорании  топлива.  В  стандартных

АЭС, в которых электроэнергия производится  паротурбогенераторами,  тепловой

сброс осуществляется водой, охлаждающей конденсаторы.  Эта  вода  забирается

из реки, озера или моря.

      Для того чтобы уменьшить вредное  воздействие  на  экологию  реки  или

озера, из которых  забирается  вода,  особенно  при  жарком  климате,  когда

окружающая температура уже достаточно высока,  может  оказаться  необходимым применение некоторых  технических  методов  локальной  защиты  от  перегрева водных источников. Среди этих методов: увеличение расхода  охлаждающей  воды в конденсаторе, создание прудов охлаждения и градирен.

    

Додаток Д

Атомные пули

Самые экзотические ядерные заряды   разрабатывались для стрелкового оружия

Недавно группа физиков из Техаса опубликовала результаты экспериментов по военному использованию бомбы из изомера гафния. В техасском эксперименте возбужденное ядро гафния облучали рентгеновскими лучами - и немедленно высвобождалось в 60 раз больше энергии, чем было затрачено на инициирование взрыва. Энергия выделялась в виде смертельного для живых существ гамма-излучения. По разрушительной (бризантной) способности 1 грамм гафния эквивалентен 50 кг тротила. Новое оружие вписывается в доктрину безопасности Буша, в которой предусмотрено применение атомных мини-бомб, так называемых мини-ньюков.

Проблема создания атомного оружия сверхмалых калибров не нова. Им активно занимались и в США, и в СССР начиная с конца 60-х годов. Однако все работы по этой теме были строго засекречены, и только после перехода Семипалатинского полигона под юрисдикцию Казахстана и рассекречивания части архивов стали известны некоторые интересные подробности.

  В протоколах испытаний были найдены упоминания об экспериментах, при которых выделение энергии обозначено как "менее 0,002 кт", то есть двух тонн взрывчатки! Несколько документов были поистине сенсационными. Речь в них шла об атомных боеприпасах для стрелкового вооружения – спецпатронах калибров 14,3 мм и 12,7 мм для крупнокалиберных пулеметов, но самое потрясающее - были там и патроны калибра 7,62 мм! Правда, ядерные патроны предназначались не автомату Калашникова АКМ, а другому детищу легендарного конструктора - пулемету Калашникова, ПКС. Патрон для этого пулемета и стал самым маленьким в мире ядерным боеприпасом.

Радикального уменьшения размеров, веса и сложности конструкции удалось достичь благодаря применению не обычного для ядерных бомб урана или плутония, а экзотического трансуранового элемента калифорния - точнее, его изотопа с атомным весом 252. После обнаружения этого изотопа физиков ошеломило то, что основным каналом распада у него было спонтанное деление, при котором вылетало 5-8 нейтронов (для сравнения: у урана и плутония – 2 или 3). Первые оценки критической массы этого металла дали фантастически малую величину- 1,8 грамма! Правда, дальнейшие эксперименты показали, что ее реальное значение оказалось заметно больше.

 

Из пулемета по танкам

Другим непреодолимым недостатком стала невоспроизводимость результатов. Энерговыделение при взрыве каждого конкретного экземпляра колебалось от 100 до 700 килограммов тротилового эквивалента в зависимости от партии, времени и условий хранения, а главное - материала цели, в которую попадала пуля.

Дело в том, что сверхмалые ядерные заряды взаимодействуют с окружающей средой принципиально иначе, чем классические ядерные заряды. Не похож результат и на обычную химическую взрывчатку. Ведь при взрыве | тонны химической взрывчатки образуются тонны горячих газов, равномерно нагретых до температуры в две-три тысячи градусов. А тут - крошечный шарик, который никак не может передать окружающей среде энергию ядерного распада.   Поэтому ударная волна получалась довольно слабой по сравнению с химической взрывчаткой такой же мощности, а вот радиация, наоборот, получала намного большую долю энергии. Из-за этого стрелять нужно было на максимальную прицельную дальность пулемета, но даже и в этом случае стреляющий мог получить заметную дозу облучения. Так что максимальная очередь, которую разрешалось выпустить, была ограничена тремя выстрелами.

Впрочем, и одного выстрела обычно было достаточно. Несмотря на то, что активная броня современных танков не позволяла такому боезаряду пробить защиту насквозь, мощное энерговыделение нагревало место попадания до испарения компонентов брони и оплавления металла, так что гусеницы и башня намертво приваривались к корпусу. Попав же в кирпичную стену, такая пуля испаряла около кубометра кладки, и здание обрушивалось.

Наиболее странным был эффект от попадания пули в бак с водой. Ядерного взрыва при этом не происходило - вода замедляла и отражала нейтроны. Медленные нейтроны делят ядра более эффективно, и реакция начинается до того, как пуля ударится о стенку бака, а это приводит к разрушению конструкции пули из-за сильного нагрева. Полученный эффект пытались применить для защиты танков от сверхминиатюрных ядерных боеприпасов, навешивая на них так называемую "водную броню", а проще, емкости с тяжелой   водой.

Мирный атом

Реализация этой программы дала много интересных научных результатов. Но запас калифорния, "наработанного" во время сверхмощных ядерных взрывов, неуклонно таял. После введения моратория на испытание ядерного оружия проблема встала еще острее: калифорний из реактора стоил гораздо дороже, а объемы его производства были невелики. Конечно, военных не остановили бы расходы, если бы они чувствовали острую потребность в таком оружии. Генералы, однако, были в сомнении, что и послужило причиной прекращения этой программы незадолго до смерти Брежнева.

  Срок хранения уникальных калифорниевых пуль не превышал шести лет, так что ни одна из них не дожила до нашего времени. Калифорний из них был изъят и использован для чисто научных целей, таких, например, как получение сверхтяжелых элементов.

Додаток Ж

Ядерное оружие

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в атомной бомбе. Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей) . Взрывчатым веществом служит чистый уран ₉₂²³⁵U  или  плутоний ₉₄²³⁹Pu. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска, оказываются надкритическими. To и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ. При взрыве бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для живых организмов. Атомные бомбы были применены США в конце второй мировой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Эти акты массового уничтожения людей не были вызваны военной необходимостью, так как в то время капитуляция Японии уже была предрешена. В термоядерной (водородной) бомбе источником высокой температуры,  которая необходима для термоядерного синтеза, служит взрыв атомной бомбы (урановой или плутониевой), помещенной внутри термоядерной. Технические возможности увеличения энергии взрыва этих бомб ничем не ограничены. С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия.

Додаток З

Применение радиоактивных изотопов

Радиоактивные изотопы в биологии и медицине.

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было установлено, что свободный  кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. Интенсивное гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка) . 

Радиоактивные изотопы в промышленности. 

Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.

Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов. 

Применение в сельском хозяйстве

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы 'радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 15 32P . Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Радиоактивные изотопы в археологии. 

Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется бетта-радиоактивный изотоп углерода 614C с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует, углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати бетта-частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

 

Додаток К

 

Ядерный реактор

 

Я́дерный реа́ктор — устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

История

Самоподдерживающаяся управляемая цепная реакция деления ядер (кратко — цепная реакция) была впервые осуществлена в декабре 1942 г. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми, построила первый в мире ядерный реактор, названный СР-1. Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его двуокиси. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ураном.

В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский реактор Ф-1 выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 г. Реактор Ф-1 набран из графитовых блоков и имеет форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1949 г. введён в действие реактор по производству плутония, а 27 июня 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

Устройство и принцип работы

Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

• Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
• Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
• Теплоноситель;
• Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита
• Радиационная защита
• Система дистанционного управления

Основная характеристика реактора — его выходная мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, при которой происходит 3·1016 делений в 1 сек.

Физические принципы работы

Реактивность ядерного реактора

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью ρ, которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;

k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Условие критичности ядерного реактора:

, где

есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объема.

k0 — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды.

Очевидно, что k < k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 для тепловых реакторов можно определить по так называемой «формуле 4-х сомножителей»:

, где

μ — коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

φ — вероятность избежать резонансного захвата;

θ — коэффициент использования тепловых нейтронов;

η — выход нейтронов на одно поглощение.

Объёмы современных энергетических реакторов могут достигать сотен м3 и определяются главным образом не условиями критичности, а возможностями теплосъёма.

Критический объём ядерного реактора — объём активной зоны реактора в критическом состоянии. Критическая масса — масса делящегося вещества реактора, находящегося в критическом состоянии.

Наименьшей критической массой обладают реакторы, в которых топливом служат водные растворы солей чистых делящихся изотопов с водяным отражателем нейтронов. Для 235U эта масса равна 0,8 кг, для 239Pu - 0,5 кг. Теоретически, наименьшей критической массой обладает 251Cf, для которого эта величина составляет всего 10 г.

Для начала цепной реакции обычно достаточно нейтронов, рождаемых при спонтанном делении ядер урана. Возможно также использование внешнего источника нейтронов для запуска реактора, например, смеси Ra и Be, 252Cf или других веществ.

Материалы реакторов

Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле нейтронов, γ-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не все материалы, применяемые в других отраслях техники. При выборе реакторных материалов учитывают их радиационную стойкость, химическую инертность, сечение поглощения и другие свойства.

Материал	Плотность, т/м3	Макроскопическое сечение поглощения Εм-1
		тепловых нейтронов	нейтронов спектра деления
Алюминий	2,7	1,3	2,5·10-3
Магний	1,74	0,14	3·10-3
Цирконий	6,4	0,76	4·10-2
Нержавеющая сталь	8,0	24,7	1·10-1

 

Быстрые нейтроны, γ-кванты и осколки деления повреждают структуру вещества. Так, в твёрдом веществе быстрые нейтроны выбивают атомы из кристаллической решётки или сдвигают их с места. Вследствие этого ухудшаются пластические свойства и теплопроводность материалов. Сложные молекулы под действием излучения распадаются на более простые молекулы или составные атомы. Например, вода разлагается на кислород и водород. Это явление известно под названием радиолиза воды.

Реакторные материалы контактируют между собой (оболочка ТВЭЛа с теплоносителем и ядерным топливом, тепловыделяющие кассеты — с теплоносителем и замедлителем и т. д.). Естественно, что контактирующие материалы должны быть химически инертными (совместимыми). Примером несовместимости служат уран и горячая вода, вступающие в химическую реакцию.

У большинства материалов прочностные свойства резко ухудшаются с увеличением температуры. В энергетических реакторах конструкционные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор конструкционных материалов, особенно для тех деталей энергетического реактора, которые должны выдерживать высокое давление.

Управление ядерным реактором

Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Протекающие в реакторе процессы вызывают ухудшение размножающих свойств среды, и без механизма восстановления реактивности реактор не смог бы работать даже малое время. Первоначальный запас реактивности создается путём постройки активной зоны с размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился надкритичным, в активную зону вводятся вещества-поглотители нейтронов. Поглотители входят в состав материала управляющих стержней, перемещающихся по соответствующим каналам в активной зоне. Причём если для регулирования достаточно всего нескольких стержней, то для компенсации начального избытка реактивности число стержней может достигать сотни. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы. Компенсация выгорания может также достигаться применением специальных поглотителей, эффективность которых убывает при захвате ими нейтронов (Cd, В, редкоземельные элементы) или растворов поглощающих веществ в замедлителе.

В большинстве случаев для управления реактором используют стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В и др.). Движение стержней управляется специальными механизмами, работающими по сигналам приборов, чувствительных к величине нейтронного потока.

Работа органов СУЗ заметно упрощается для реакторов с отрицательным температурным коэффициентом реактивности (с ростом температуры r уменьшается).

На основе информации о состоянии реактора, специальным вычислительным комплексом формируются рекомендации оператору по изменению состояния реактора, либо, в определённых пределах, управление реактором производится без участия оператора.

На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности — система аварийной защиты.