Урок ,,Ланцюгова ядерна реакція"

11 клас. Рівень стандарту.

Тема уроку. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану. Ядерний реактор.  Термоядерна реакція.

Мета уроку: показати учням сутність ланцюгової реакції поділу Урану та способи керування нею; ознайомити учнів з будовою та принципом дії ядерного реактора; розглянути його типи; розвивати творче мислення; виховувати бережливе ставлення до навколишнього середовища.

Тип: урок засвоєння нових знань.

Обладнання та наочність: комп’ютерна модель ланцюгової реакції, схема ядерного реактору, відео фрагменти: «Ядерні реакції», «Термоядерні реакції»

І. Організаційний момент.

Актуалізація опорних знань.

1. Що таке ядерна реакція?
2. Які види реакцій ви знаєте?

Очікувана відповідь: розрізняють реакції, що відбуваються в природі та здійснюються штучно. Можна також розділити ядерні реакції за призначенням або іншими ознаками.

• За значенням енергії частинок ядерні реакції можна поділити на: малі (1еВ), середні (10МеВ), великі (100МеВ).
• За родом частинок: на реакції з нейтронами та реакції з зарядженими частинками.
• За механізмом: на реакції обміну, пружного розсіювання, поділу, захвату.

3. Які закони виконуються під час ядерних реакцій?

• закон збереження заряду;
• закон збереження кількості нуклонів;
• закон збереження імпульсу;
• закон збереження енергії.

4. Що відбувається з ядром під час випромінювання α-частинки? Β-частинки?

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

2.1. Зараз ми подивимось фрагмент фільму «Ядерні реакції».  Під час перегляду фрагменту треба знайти відповідь на запитання:

1. Що таке ланцюгова ядерна реакція?
2. Хто вперше спостерігав ядерну реакцію поділу атомних ядер Урану?
3. Яка умова підтримання ланцюгової реакції?
4. Що таке критична маса?

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 (мал. 8.5).

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.

Повільні нейтрони не викликають поділу ядра ²³⁸₉₂U. Проте їх захоплення цим нуклідом веде до цікавих наслідків — утворення трансуранових елементів. Трансуранові елементи — це хімічні елементи, розміщені в таблиці Менделєєва за Ураном  (Z > 92)

Спочатку виникає короткоживучий радіоактивний нуклід ²³⁹₉₂U, період піврозпаду якого Т = 23 хв (мал. 8.6), який внаслідок бета-розпаду перетворюється на новий елемент — Нептуній:

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

Т = 24 000 років:

Ядерну реакцію одержання Плутонію нині широко використовують у сучасних ядерних реакторах - розмножувачах.

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.

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

2.2. Давайте подивимось фрагмент фільму «Ядерний реактор».

Питання для обговорення:

1. З яких частин складається ядерний реактор?
2. В чому полягає принцип його дії?

Ядерний реактор складається з: активної зони, де відбувається ядерна реакція, поглиначів нейтронів, захисного кожуха, парогенератора, турбіни та електричного генератора (мал. 8.7).

Принцип його дії полягає у використанні вивільненої внаслідок ядерної реакції енергії для здобуття 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.

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 лопатки 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 (стержні, 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. Існує декілька видів ядерних реакторів:

1. Реактори на швидких нейтронах (реактори-розмножувачі).
2. Реактор на повільних нейтронах

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.
2.3. Загальновідомо, що 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.

Перегляд фрагменту  «Термоядерні реакції»

Питання:

1. що таке термоядерна реакція?

2. Коли була здійснена перша термоядерна реакція?

3. Умови протікання термоядерних реакцій.

Перша термоядерна реакція була здійснена в 1932 році на швидких протонах

У природних умовах термоядерні реакції синтезу відбуваються в надрах зірок і є основним джерелом їхньої енергії. Для Сонця основною реакцією є перетворення чотирьох протонів на ядро атома Гелію, що супроводжується виділенням енергії понад 26 МеВ за один цикл. У земних умовах досягти таких температур можна лише за допомогою ядерного вибуху (на цьому ґрунтується принцип дії водневої бомби) або в потужному імпульсі лазерного випромінювання (керована термоядерна реакція синтезу).

Природа термоядерних реакцій
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.

Умови протікання термоядерних реакцій

Для протікання термоядерних реакцій потрібні певні умови. Потрібен зблизити ядра зазначених ізотопів. Ядра атомів мають позитивний заряд, і, отже, при їх зближенні діють кулонівських сили, розштовхують ці заряди.

Відповідно, для злиття ядер необхідно подолати відразливі сили. Це можливо лише у випадку, якщо самі ядра володіють дуже великою енергією, в першу чергу, кінетичної енергією руху, тобто тоді, коли їх швидкість досить велика.

Ядра ізотопів можуть володіти такою швидкістю тільки при дуже високій температурі. Необхідно додати часткам швидкість достатню, щоб вони могли наблизитися один до одного на відстань                  ≈ 10  ^-14 м. На такій відстані вже починають діяти ядерні сили тяжіння.

Подібної температури можна домогтися лише при вибуху атомної бомби. Тобто, щоб справити 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.

Керовані термоядерні реакції

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. Однак це питання необхідно вирішувати, 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.

ІІІ. Закріплення нових знань.

1. Що ви нового узнали на уроці?
2. Поясніть механізм протікання ланцюгової ядерної реакції.
3. Що таке ядерний реактор?
4. Яку реакцію називають термоядерною?

ІУ. Домашнє завдання. Є.В. Коршак, О.І.Ляшенко, В.Ф. Савченко. Фізика 11 клас.

Опрацювати §71,72

Додаткове завдання: як ви вважаєте, чому для здійснення ланцюгової ядерної реакції недостатньо отримати хімічно чистий Уран, а необхідно збагатити його ізотопом Урану – 235?