Конспект уроку з теми: "Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор".

Тема:  Ланцюгова реакція. Ядерний реактор

Мета уроку:

   -ознайомити учнів з розподілом ядер урану, що дозво­ляє одержати велику кількість ядерної енергії; пояснити будо­ву й принцип дії ядерного реактора.

   -розвивати творче мислення, технічну компетентність.

   -виховувати бережливе ставлення до навколишнього світу, бережливе ставлення до природних ресурсів.

Міжпредметні зв’язки: хімія, екологія,математика,географія.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Обладнання: роздаткові матеріали ( таблиці Менделєєва, перевірочні самостійні роботи ), підручники, комп’ютерна презентація, відеофрагмент.

 

І. Організаційний момент.(1 хвилина)

 

ІІ.  Актуалізація опорних знань (5 хвилин)  (вправа «заморочки з бочки»):

 

1. Які частинки входять до складу ядра атома?

2. Який заряд протона?

3. Який заряд нейтрона?

4. Дати означення радіоактивності.

5. Які елементи є радіоактивними?

6. Які є види радіоактивного випромінювання?

7. Записати реакцію альфа-розпаду

8. Записати реакцію бета-розпаду

9. Фізична природа гамма-випромінювання.

10.Що відбувається з ядром атома при випромінювання альфа-частинки?

11. Що відбувається з ядром атома при випромінюванні бета-частинки?

12. В порядку зростання активності перелічити види радіоактивного випромінювання.

13.Дати означення ізотопів.

 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу. (30 хв)

 

Ядерну реакцію поділу атомних ядер уперше спостерігали у 1939 р. німецькі вчені О. Ган і     Ф. Штрасман. Вони встановили, що під час бомбардування ядер атомів Урану нейтронами вони діляться на дві приблизно однакові частинки .

Внаслідок кожного такого поділу вивільняється 2—3 нейтрони і близько 200 МеВ енергії. Ф. Жоліо-Кюрі висловив думку, що під впливом потоку вивільнених нейтронів ядерна реакція поділу ядер атомів Урану може розвиватися як ланцюгова.

Ядерною ланцюговою реакцією називають реакцію, в якій частинки (нейтрони), що спричиняють її, утворюються як продукти цієї реакції.

 

 

Щоб ланцюгова реакція розвивалася, потрібно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови для їх проникнення в ядра атомів Урану. З цією метою треба достатню масу Урану вміщувати в обмеженому просторі, створювати так звані критичні умови. Тоді нейтрони потраплятимуть в ядра, викликаючи подальший їх поділ.

 Мінімальну масу, за якої ланцюгова реакція відбувається самочинно, називають критичною. 

Для чистого УрануU, що має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50 кг. Радіус такої кулі дорівнює приблизно 9см.

Здійснення ланцюгової реакції поділу ядер атомів Урану — досить складний процес. Адже повільні нейтрони, що вивільняються в процесі ядерної реакції, можуть викликати поділ лише ядер ²³⁵₉₂U; для поділу ядер ²³⁸₉₂U потрібні швидкі нейтрони з енергією понад 1 МеВ. Оскільки природний Уран складається з двох нуклонів — 99,3 % Урану-238 і лише 0,7 % Урану-235, то для підтримання ланцюгової ядерної реакції необхідно задовольнити принаймні дві умови: досягти критичної маси і забезпечити достатнє число вивільнених нейтронів для підтримання реакції, яке б не зменшувалося з часом.

  Керовані ланцюгові ядерні реакції використовуються в ядернних реакторах.

 Пристрій, в якому підтримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним (атомним) реактором.

Ядерний реактор складається з:

 активної зони, де відбувається ядерна реакція,

 поглиначів нейтронів,

захисного кожуха,

парогенератора,

 турбіни та електричного генератора.

  Принцип його дії полягає у використанні вивільненої внаслідок ядерної реакції енергії для здобутті електричної напруги.
В активну зону завантажують ядерне паливо — збагачений Уран у вигляді тепловидільних елементів (ТВЕЛів), які утворюють правильну ґратку, і речовину, що гальмує нейтрони (графіт або так звану важку воду), оскільки ядра нукліда урану-235 краще захоплюють повільні нейтрони.

  Реактор на швидких нейтронах (реактори-розмножувачі)  не можуть працювати на природному урані, але використовують його для утворення значної кількості  Плутонію , який потім можна використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами-розмножувачами, оскільки вони відтворюють матеріал, який ділиться.

 У свою чергу, нестійкий нуклід нептунію перетворюється на відносно стабільний Плутоній

Т = 24 000 років:

Реактор на повільних нейтронах.Найбільш ефективний поділ ядер Урану відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називаються реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, які утворюються в результаті реакції поділу, є швидкими. Для того щоб їхня наступна взаємодія з ядрами Урану в ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх сповільнюють, вводячи в активну зону сповільнювач — речовину, яка зменшує кінетичну енергію нейтронів.

Від повного поділу всіх ядер 1г Урану виділяється 2,3·10кВт·год енергії, яка еквівалентна енергії, що утворюється від спалювання 3т вугілля, або 2,5т нафти.

 

Щоб ланцюгова реакція була керованою, необхідно регулювати число нейтронів в активній зоні. З цією метою до неї вводять регулювальні стрижні з матеріалу, який добре вбирає нейтрони (Кадмій, Бор). Зміною глибини їх введення регулюють потік нейтронів, а отже, керують перебігом ланцюгової реакції.

Енергія, що виділяється в результаті поділу ядер атомів Урану, за допомогою теплоносія передається парогенератору.

Вироблена ним водяна пара спрямовується на лопаті парової турбіни, сполученої з генератором, який виробляє електроенергію. Так після кількох перетворень енергія, що вивільняється внаслідок поділу атомних ядер, стає електричною. Електромережами вона потрапляє до споживачів.

Потужність ядерного реактора в 1 МВт відповідає ланцюговій реакції, за якої відбувається

3 ∙ 10¹⁶ актів поділу ядер Урану за 1 с.

 

Основні елементи ядерного реактора:

•            ядерне паливо (U, Pu, U); сповільнювач нейтронів (важка або звичайна вода, графіт);
•            теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора (вода, рідкий натрій);
•            пристрій для регулювання швидкості реакції (стрижні, які вводять у робочий простір реактора; вони містять Кадмій чи Бор – речовини, які добре поглинають нейтрони).

Зовні реактор оточують захисною оболонкою, що затримує γ-проміння і нейтрони. Її роблять з бетону із залізним заповнювачем.

 

Перша ядерна реакція була здійснена у США у грудні 1942 році колективом вчених під керівництвом Енріко Фермі.

У Радянському Союзі перший ядерний реактор було запущено 25 грудня 1946 року колективом фізиків під керівництвом І. В. Курчатова.

Ядерні реактори є основою атомних електростанцій (АЕС). Нині у світі налічується понад 1000 ядерних енергетичних установок. Атомна енергетика вважається економічно найвигіднішою і високотехнологічною. Вона використовує останні досягнення науки, сучасні автоматизовані системи керування технологічним процесом на основі ЕОМ, потребує високої кваліфікації працівників. Експлуатація АЕС потребує запровадження широкого спектра засобів контролю і радіаційної безпеки, оскільки в разі нехтування ними наслідки можуть бути катастрофічними. 26 квітня 1986 р. внаслідок грубого порушення технологічного циклу роботи ядерного реактора на Чорнобильській АЕС сталася аварія. Загинули люди, наслідки цієї трагедії відчуваються досі.

(Перегляд відео фрагментів « Ядерний реактор», «Схема роботи ядерного реактора»).

Доповідь учня на тему: «Використання ядерних реакторів».

 

 При розподілі важких ядер атомів під час ядерних реакцій виділяється велика кількість енергії. Проте вдалося встановити, що при злитті легких ядер виділяється ще більшу кількість енергії. Такі реакції назвали термоядерними.

Термоядерні реакції — це реакції злиття легких ядер, що протікають при високих температурах з виділенням великої кількості енергії. Синтез гелію з водню протікає при t = 108 ˚ К. При синтезі одного грама гелію виділяється 4,2 ∙10¹¹ Дж. Ця енергія еквівалентна енергії, що виділяється при повному розподілі 4 грамів урану або при спалюванні 10 тонн дизпалива. Термоядерні реакції можна зустріти в зірках, де температура і тиск речовини створюють придатні умови для здійснення злиттів.

У термоядерної реакції синтезу гелію беруть участь ізотопи водню: тритій і дейтерій:

 Н + ³1Н    ⁴₂Не +  n

При злитті дейтерію і тритію в ядро гелію виділяється нейтрон і енергія E = 17,6 МеВ.
Ядра , заряджені позитивно , відштовхуються  . Їх треба  наблизити один до одного на відстань      ≈ 10  ^-14 м. На такій відстані вже починають діяти ядерні сили тяжіння. Наблизити ядра можна так близько лише при великих значення температури. А температури досягти можна лише при ядерній реакції.

Тобто, щоб здійснити термоядерну реакцію, треба провести спочатку ядерну реакцію, і тоді температури буде достатньо для зближення ядер ізотопів водню і здійснення термоядерної реакції. Такий процес був реалізований у водневій бомбі — найпотужнішої з винайдених людиною.
Однак на сьогоднішній день некерована термоядерна реакція — це вже не актуально. Необхідно освоїти керовану термоядерну реакцію, щоб перетворювати одержувану енергію в електричну. Але є проблема. При досягненні температури, достатньої для здійснення реакції злиття легких ядер, речовина вже перестає бути не тільки твердим, рідким або газоподібним, воно стає плазмою.

Тобто, будь-який реактор моментально випарується при таких температурах. Тут потрібно зовсім інший підхід. На сьогоднішній день вдається утримувати плазму на обмеженій території за допомогою надпотужних електричних магнітів. Але повноцінно використовувати одержувану в результаті термоядерної реакції енергію поки не вдається.

Це питання майбутнього, тому що запаси водню, тобто палива, у Всесвіті практично невичерпні, а земні запаси палива, навпаки, підходять до кінця. Керована термоядерна реакція може раз і назавжди позбавити людство від енергетичних проблем.

І\/. Закріплення нових знань.( тест) (7 хв).

                                                І  варіант:

1.Вкажіть частинки, які спричиняють ланцюгову реакцію по ділу ядер Урану:

а) α-частинки; в) нейтрони;

б) β-частинки; г) протони.

2.Вкажіть частинки, які вилітають при ланцюговій реакції по ділу ядер Урану разом з     ядрами-осколками:

а) протони; в) α-частинки;

б) нейтрони; г) β-частинки.

         3. Які ядерні реакції відбуваються в ядерних реакторах:

           а) термоядерні;

           б) ланцюгові;

           в) реакції синтезу.

        4.В якості паливареактора на тепловых нейтронах використовують:

           а) U-238

           б) U-234

           в) U-235

           г) U-239

      5. Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі:

         а) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в механічну енергію;

          б) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в електричну енергію;

          в) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в кінетичну енергію.

      6. Вода в ядерному реакторі є:

          а) уповільнювачем;

          б) теплоносієм;

          в) поглиначем.

                                                     ІІ  варіант:

      1.Скільки нейтронів утворюється в результаті ланцюгової реакції:

           а) 1

           б) 2

           в) 2 або 3

           г) 3

     2.Вкажіть частинки, які вилітають при ланцюговій реакції по ділу ядер Урану разом з     ядрами-осколками:

а) протони; в) α-частинки;

б) нейтрони; г) β-частинки.

       3. Регулювальні стрижні в ядерних реакторах регулюють:

          а) кількість вільних нейтронів

          б) швидкість вільних нейтронів

          в) траекторію руху вільних нейтронів

       4.В якості палива реактора на  повільних нейтронах використовують:

           а) U-238

           б) U-234

           в) U-235

           г) U-239

       5. Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі:

         а) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в механічну енергію;

          б) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в електричну енергію;

          в) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в кінетичну енергію.

      6. Важка вода( або графіт )  в ядерному реакторі є:

           а) уповільнювачем;

          б) теплоносієм;

          в) поглиначем

 

     

\/. Домашнє завдання.  Рефлексія.Оцінювання роботи учнів на уроці. ( 2 хв).

Опрацювати §26 (за підручником).