Способи вивільнення ядерної енергії. Ланцюгова реакція.Ядерний реактор

Способи вивільнення ядерної енергії: синтез і поділ важких ядер. Ланцюгова реакція.

Мета уроку:  пояснити учням фізичну сутність перетворення ядер хімічних елементів під час ядерних реакцій, навчити обчислювати енергетичний вихід ядерних реакцій; пояснити механізм ділення ядер Урану – 235, навчити обчислювати виділену під час ділення енергію.

Тип уроку: комбінований урок

Методи та прийоми навчання: словесний, частково – пошуковий.
Методичне забезпечення уроку:  «Фізика11клас» рівень стандарту під ред. В.Г.Бар’яхтар, мультимедійна система, презентація до теми, періодична таблиця елементів Д.І.Мендєлєєва, відео фрагменти «Ядерні реакції», «Ланцюгова реакція», «Вибух атомної бомби», «Перший підводний вибух», «Термоядерна бомба».

Хід уроку

І. Організаційна частина

ІІ. Актуалізація опорних знань учнів

Бесіда за питаннями:

1. Як охарактеризувати міцність ядер?
2. Як залежить міцність ядер атомів від їхньої енергії зв'язку?
3. Чому ядро Купруму стійке, а ядро Урану нестійке?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

З плином часу наука робила все більше і більше кроків в розвитку різних технологій та найбільш стрімкого епогею за короткий час вона досягла в галузі ядерних технологій. Чому так, та які досягнення вийшли у широкий світ ми з Вами дізнаємось на цьому уроці.

IV. Повідомлення теми, мети, завдань уроку

1.Фізичні основи ядерної енергетики

2.Енергія зв’язку атомного ядра

3.Нуклони

4.Дефект мас

5.Способи вивільнення ядерної енергії: синтез легких і поділ важких ядер

6.Ядерні реакції

7.Ланцюгова реакція поділу ядер урану

   8.Ядерні реакції

V. Вивчення нового матеріалу

Поділ ядер Урану. Атомні ядра, які містять велику кількість нукло­нів, нестійкі й можуть розпадатися. У 1938 році німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман спостерігали поділ ядра Урану під дією повільних нейтронів. Використання саме нейтронів для поділу ядер зумовлене їх­ньою електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує слабку стабільність ядра, зумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування та ядер­ного притягання. Ті просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо ), які виникають, є нестікими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. їхнє взаємне від­штовхування приводить до штучної радіоактивності ізотопу * , тобто до його поділу на ядра меншої маси, які називаються осколками поділу. Причому найбільш імовірним виявляється поділ на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2:3 . Більшість великих осколків має масове число. А в межах 135—145, а дрібні —від 90 до 100. У результаті реакції поділу ядра Урану утворюються два або три нейтрони. Одна з можли­вих реакцій поділу ядра Урану проходить за схемою:

Ця реакція проходить із утворенням трьох нейтронів. Можлива реак­ція з утворенням двох нейтронів.

Поділом ядра називається ядерна реакція поділу важкого ядра, збу­дженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, які на­зиваються осколками поділу.

Оскільки маса спокою важкого ядра більша за суму мас спокою оскол­ків, які виникають під час поділу, то це спричиняє виділення енергії, ек­вівалентної зменшенню маси спокою.

Енергія, що виділяється під час поділу ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають осколки, вини­кає внаслідок їхнього кулонівського відштовхування. У разі повного под­ілу всіх ядер, які є в 1 г урану, виділяється стільки ж енергії, скільки і під час згоряння 2,5 т нафти.

Механізм поділу. Процес поділу атомного ядра можна пояснити на
основі краплинної моделі ядра. Згідно із цією моделлю згусток нуклонів
нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядерні сили між нуклонами є ко­роткодіючими, подібно до сил, які діють між молекулами рідини. Одно­часно з великими силами електростатичного відштовхування між про­
тонами, які прагнуть розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні
сили притягання. Ці сили утримують ядро від розпаду.

Ядро Ураиу-235 має форму кулі. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми. Ядро розтягується доти, доки сили відштовхування між половинками ви­тягнутого ядра не починають переважати над силами притягання, які ді­ють у перешийку. Після цього ядро розривається на дві частини. Під дією кулонівських сил відштовхування ці осколки розлітаються зі швидкістю, яка дорівнює 1/30 швидкості світла.

Ланцюгова реакція поділу. Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра
в процесі поділу, може у свою чергу викликати поділ сусіднього ядра, яке
також випускає нейтрони, здатні викликати подальший поділ. У результаті кількість ядер, які діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.

Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції.

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час поділу одного ядра N нейтронів можуть викликати поділ N ядер, у результаті чого буде випущено N² нових нейтронів, які викличуть поділ N² ядер, і т. д. Отже, кількість нейтронів, які народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. У цілому процес носить лавоподібний харак­тер, проходить досить швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Швидкість ланцюгової реакції. Критична маса. Швидкість ланцюгової реакції поділу ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення кількості ней­тронів на даному етапі ланцюгової реакції до їхньої кількості на поперед­ньому етапі.

Якщо k > 1 , то кількість нейтронів збільшується з часом або залиша­ється сталим і ланцюгова реакція йде.

Якщо k < 1, то кількість нейтронів зменшується і ланцюгова реакція неможлива.

Якщо k =1, то реакція проходить стаціонарно: кількість нейтронів ли­шається незмінною. Цю рівність необхідно підтримувати з великою точні­стю. Уже в тому випадку, коли k = 1,01, майже миттєво відбудеться вибух.

Кількість нейтронів, які утворюються під час поділу ядер, залежить від об'єму уранового середовища. Чим більший цей об'єм, тим більша кількість нейтронів виділяється під час поділу ядер. Починаючи з деякого мінімального критичного об'єму Урану, який має певну критичну масу, реакція поділу ядер стає самопідтримувальною.

Дуже важливим фактором, який впливає на хід ядерної реакції, є наяв­ність сповільнювача нейтронів. Справа в тому, що ядра Урану-235 діляться під дією повільних нейтронів. А під час поділу ядер утворюються швидкі ней­трони. Якщо швидкі нейтрони сповільнити, то значна їх частина захопиться ядрами Урану-235 з подальшим поділом цих ядер. Графіт, вода, важка вода та деякі інші речовини використовуються як сповільнювачі нейтронів.

Для чистого Урану . ядро якого має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50 кг. При цьому радіус кулі становить приблизно 9 см. Застосовуючи сповільнювач нейтронів і оболонку з Берилію, яка від­биває нейтрони, вдалося знизити критичну масу до 250 г.

Основні елементи ядерного реактора.

Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється те­плова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер.

Уперше керована ланцюгова реакція поділу ядер Урану була здійснена 1942 року в США під керівництвом італійського фізика Е. Фермі. Ланцю­гова реакція з коефіцієнтом розмноження нейтронів k = 1,0006 тривала протягом 28 хвилин, після чого реактор зупинили.

Головними елементами ядерного реактора є:

- ядерне пальне (, , );

        - сповільнювач нейтронів (важка вода, графіт тощо);

         - теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи ре­актора (вода, рідкий натрій та ін.);

  - пристрій для регулювання швидкості реакції (стрижні, які вводять­ся в робочий простір реактора та містять речовини, що добре погли­нають нейтрони).

Ядерне пальне розміщене в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, які називаються тепловиділяючими елементами (ТВЕЛ). ТВЕЛи призначені для регулювання потужності реактора.

Маса кожного паливного стрижня значно менша за критичну, тому в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона почина­ється після занурення в активну зону всіх уранових стрижнів.

Активна зона оточена шаром речовини, яка відбиває нейтрони (відби­вач), і захисною оболонкою з бетону, котрий затримує нейтрони й інші частинки.

Керування реактором здійснюється за допомогою стрижнів, які мі­стять кадмій чи бор. Коли стрижні виведені з активної зони реактора, k > 1, а коли повністю введені — k < 1. Вводячи стрижні всередину актив­ної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюго­вої реакції. Керування ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.

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.

Реактор на швидких нейтронах. Оскільки ймовірність поділу, ви­кликаного швидкими нейтронами, мала, то реактори на швидких нейтро­нах не можуть працювати на природному урані. Реакцію можна підтри­мувати лише в збагаченій суміші, яка містить не менше ніж 15 % ізотопу . Перевага реакторів на швидких нейтронах у тому, що під час їхньої роботи утворюється значна кількість Плутонію , який потім можна використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами-розмножувачами, оскільки вони відтворюють матеріал, який ділиться.

Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну енергію. Ядерний реактор є основним елементом атомної електростанції (АЕС), яка перетворює теплову ядерну енергію на електричну. У ре­зультаті поділу ядер у реакторі виділяється теплова енергія. Ця енергія перетворюється на енергію пари, яка обертає парову турбіну. Парова турбіна, у свою чергу, обертає ротор генератора, котрий виробляє елек­тричний струм.

Таким чином, перетворення енергії відбувається за такою схемою: вну­трішня енергія ядер Урану —> кінетична енергія нейтронів і осколків ядер -» внутрішня енергія води —> внутрішня енергія пари -» кінетич­на енергія пари —> кінетична енергія ротора турбіни та ротора генера­тора -» електрична енергія.

З кожним актом поділу виділяється близько 3,2 10¹¹ Дж енергії. Тоді потужності 3000 МВт відповідає приблизно 10¹⁸ актів поділу за секунду. Під час поділу ядер стінки ТВЕЛів сильно нагріваються. Відведення теп­ла з активної зони здійснюється теплоносієм — водою. У потужних реак­торах зона нагрівається до температури 300°С . Щоб уникнути закипан­ня, воду виводять з активної зони в теплообмінний пристрій під тиском порядку 10⁷ Па. У теплообміннику радіоактивна вода (теплоносій), яка циркулює в першому контурі, віддає тепло звичайній воді, що циркулює в другому контурі. Передане тепло перетворює воду в другому контурі на пару. Ця пара з температурою близько 230°С під тиском 3 10⁶ Па на­правляється на лопатки парової турбіни, а вона обертає ротор генератора електричної енергії.

VІ. Заключний етап заняття

1.Закріплення матеріалу

1. Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинками для бом­бардування атомних ядер?
2. Що відбувається, коли нейтрон влучає в ядро Урану?
3. Чому під час поділу ядер Урану виділяється енергія?

4. Від чого залежить коефіцієнт розмноження нейтронів?
5. У чому полягає керування ядерною реакцією?
6. Для чого потрібно, щоб маса кожного уранового стрижня була меншою від критичної маси?

Домашнє завдання: опрацювати п. 42 підручника «Фізика11 кл». Написати есе на тему: «Ядерна енергетика України».