Урок з використанням навчального програмного забезпечення фізика для 11класу загальноосвітніх навчальних закладів.

 

Міністерство охорони і здоров’я України

Комунальний заклад

«Бериславський медичний коледж»

Херсонської обласної ради

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                       Розробив: Дідик О.О.

                                                                           викладач фізики та інформатики

 

 

 

 

 

 

 

2016

 

 

Урок  з використанням навчального програмного забезпечення фізика для 11класу загальноосвітніх навчальних закладів.

 

 

Тема. Ядерний реактор.

 

Навчальна мета. Вивчити будову та принцип дії ядерного реактора, різновидності реакторів. Показати, що практика, основа і мета пізнання. Зв'язок науки і техніки.

 

 Розвиваюча мета. Розвивати вміння самостійно працювати з НПЗ Ф – 11 й вирішувати проблемні завдання, розвивати інтелект і мову, ініціативу, активність учнів.

 

Виховна мета. Виховання в учнів наполегливості в досягненні мети, вміння висловлювати свої думки.

 

Тип уроку.  Комбінований.

 

Наочність та обладнання. Комп’ютерний клас.

1. Навчальне програмне забезпечення з фізики  для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів.
2. Бібліотека електронних наочностей.
3. Енциклопедія Кирила і Мефодія.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура уроку.

 

І.   Організаційний момент.

 

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

 

ІІІ. Актуалізація опорних знань учнів.

 

IV. Мотивація навчання.

 

V. Сприймання і усвідомлення нового матеріалу.

 

VI. Осмислення нового матеріалу.

 

VII. Підсумок уроку.

 

VIII. Домашнє завдання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хід уроку.

 

І.   Організаційний момент.

 

 

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

 

1. Яку реакцію називають ядерною? Чим вона відрізняється від радіоактивного розпаду?
2. Що таке енергетичний вихід ядерних реакцій?
3. Які види ядерних реакцій бувають? Наведіть їх приклади?
4. Які умови виникнення і підтримання ланцюгової ядерної реакції?
5. Що таке трансуранові елементи? Опишіть реакцію одержання Плутонію.

 

ІІІ. Актуалізація опорних знань учнів.

 

Учні працюють на комп’ютерах з тестовими завданнями.

 

 

 

 

 

1. Поділом ядра - називається ядерна реакція поділу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, які називаються осколками поділу.    такні
2. Який порядковий номер у періодичній системі хімічних елементів займає Уран?     1029282
3. Як називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукт цієї реакції?      Ядерною реакцієюЛанцюговою ядерною реакцієюХімічною реакцією
4. Найменша маса Урану, за якої можливий перебіг ланцюгової реакції, називається …  Атомною масоюКритичною масоюмасою
5. Скільки нейтронів випускається ядром Урану при одному акті ділення?    232-3
6. Ядро Урану – 235 має форму Кулі ЕліпсаТетраїда

 

 

 

 

 

IV. Мотивація навчання.

 

І. Вступ.

 

Учень 1.  Душа тривожиться, мов птиця:

А що, як висохне криниця?

Тривожиться у полі колос:

Чому замовк пташиний голос?

І вмить здригається Планета –

І річка Либідь, річка Лета.

Не все, не все пощезне в світі.

Ще в зорях сад. Земля – у цвіті.

Лист подорожника. Дорога.

Та в серці атомна тривога.

 

Учитель.  Ти підкорила Всесвіт, Людино! Ти приборкала морську стихію, ти злетіла до чужих планет і лишила там свій слід. Ти створила штучний розум і проголосила свою вищість над ним. Ти контролюєш вітер, ти маєш у руках смерть і хизуєшся цим. Ти думаєш, що стала Богом, коли змінила зиму на літо, і підкорила собі природу та не помітила пасток, які сама собі розставила. Бо не минає безслідно варварське вторгнення в те, що створено не тобою й раніше за тебе. Зупинися на мить, Людино!

Давайте зупинимося, поміркуємо, і ми побачимо, що найбільше досягнення людини – підкорення атома – привело до найстрашніших наслідків,  не лише для сучасності, а й для майбутніх поколінь.

 

ІІ. Історія будівництва Чорнобильської АЕС.

 

Учень 2. Бурхливий розвиток промисловості вимагав великих затрат електроенергії. Як в наслідок  29.06.1966р. було прийнято Постанову Ради Міністрів СРСР про введення в дію  енергетичної потужності в розмірі 11,9млн кВт протягом 1966-1977р.р., зокрема 8млн кВт за рахунок реакторів, які працюють на теплових нейтронах. Нова атомна електростанція повинна була компенсувати дефіцит електроенергії в Центральному енергетичному районі – найбільшому в Об’єднаній енергетичній системі (ОЕС) Півдня. З метою вибору оптимального варіанту для розміщення атомної електростанції Київським  відділенням проектного інституту «Теплоелектропроект»  у 1965 -1966рр. було проведено обстеження 16 пунктів у Київській, Вінницькій і Житомирській областях. За підсумками обстеження Колегія Держплану УРСР рекомендувала для розміщення АЕС майданчик біля с. Копачі Київської області. Майбутній станції було дано назву Чорнобильська.

Чорнобильська АЕС  стала третьою станцією з реакторами типу РВПК-1000 (реактор великої потужності канальний) після Ленінградської і Курської АЕС, запущених у 1973 і 1976рр. Принциповою особливістю конструкції канальних реакторів була відсутність спеціального міцного корпусу, властивого реакторам типу ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор, мал. 2). Серійне виготовлення унікальних високоміцних корпусів, великих розмірів стримувалося в ті роки відсутністю необхідних виробничих потужностей. У цих умовах будівництво канальних реакторів дозволяло забезпечити швидкий розвиток атомної енергетики, оскільки для них не потрібні реакторні корпуси. Такі енергоустановки, крім того, давали можливість досягнути великої потужності одного блоку – 1000 МВт, а потім і 1500 МВт. Остання обставина є можливою, оскільки максимальна потужність ректорів типу ВВЕР визначалася, впершу чергу, саме розмірами корпусу. Підготовлені реактори ВВЕР були обмежені потужностями енергоблоків (440МВт), і лише до 1980 року одинична потужність таких енергоблоків була доведена до 1000МВт.

Звичайно у нас постає питання: «Чи завжди ми робимо правильний вибір?»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V. Сприймання і усвідомлення нового матеріалу.

 

1. Що називається ядерним реактором?

 

(Розповідь вчителя з використанням навчального педагогічного програмного засобу фізика – 11 §72 Ядерний реактор.)

 

 

Учитель. Що ж таке реактор ? 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 к=1,0006 тривала протягом 28 хвилин, після чого реактор зупинили.

Запитання до учнів: Чим відрізняється атомна бомба від ядерного реактора?

 

 

 

 

2. Будова і принцип дії реактора.

 

(Розповідь вчителя з використанням навчального педагогічного програмного засобу фізика – 11 §72 Ядерний реактор.)

Головними елементами ядерного реактору є:

1. Ядерне пальне.
2. Сповільнювач нейтронів ( важка вода, графіт тощо).
3. Теплоносій та виведення енергії, що утворюються під час роботи реактора (вода, рідкий натрій та ін.).
4. Пристрій для регулювання швидкості реакції (стрижні, які вводяться в робочий простір реактора та містять речовини, які 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 критичні, 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 в середину активної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Керування ядерним реактором дистанційно за допомогою ЕОМ.

 

3. Види реакторів.

 

а) Реактор на  повільних  нейтронах. Найбільш ефективний поділ ядер Урану    ³⁵ U ⁹² 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 ²³⁵ U ⁹² в ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх  сповільнювач - речовину, яка  зменшує кінетичну енергію нейтронів.

б) 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 ²³⁵ U ⁹². Перевага реакторів на  швидких нейтронах у тому, що під час їхньої роботи утворюється значна кількість Плутонію   ²³⁹Pu ⁹⁴  , який  потім можна  використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами - розмножувачами, оскільки вони  відтворюють матеріал, який  ділиться.

Існує багато різновидів реакторів, які відрізняються за робочими енергіями нейтронів, за матеріалом сповільнювача, за призначенням. Але незалежна від призначення і конструкції, основними елементами кожного ядерного реактора є: ядерне пальне; пристрій для регулювання ходу ланцюгової реакції; запобіжні пристосування – пристрої, які забезпечують захист персоналу від випромінювань; теплоносії, який відводить надлишкову кількість теплоти; пристосування для зміни палива.  Крім того, переважна кількість реакторів  має так званий відбивач, який зменшує втрати нейтронів через поверхню активної зони. У ректорах на повільних нейтронах важливим елементом є сповільнювач.

В Україні працюють переважно реактори на теплових нейтронах: реактор РВПК-1000, який і був установлений на четвертому блоці ЧАЕС, та водо-водяний енергетичний реактор (ВВЕР). У реакторах типу РВПК сповільнювачем є графіт, а теплоносієм – звичайна  вода. Теплоносій в активній зоні рухається окремими каналами, що прокладені в середині циліндра заввишки 7м та діаметром до 12 м, виготовленого з графітових блоків загальною масою 1850 т. У РВПК-1000 тепловиділяючими елементами є «пігулки» з діоксиду  урану, які по 200 шт. містяться в 36 твелах, які становлять касету. Загальна маса урану в реакторі 192т. В інші канали вміщено 211 стержнів – поглиначів. Вода подається в канали знизу циркуляційними насосами під тиском 70 атмосфер. У каналах вона закипає, і суміш із 14% пари і 86% води через поверхню частину каналу потрапляє у чотири горизонтальні барабани-сепаратори, де вода під дією сили  тяжіння стікає вниз, а пара за температури 280°С через паропроводи подається в дві турбіни, після проходження яких охолоджується і конденсується  у воду з температурою 165°С. Електрична потужність реактора 1000МВт, а теплова – 3200 МВт. ККД становить 31%.

 

4. Як здійснюється керування ядерною реакцією в реакторі?

 

Студенти самостійно працюють з НПЗ Ф – 11  §72 Ядерний реактор і готують відповідь.

 

Студент. Щоб ланцюгова реакція була керована необхідно керувати числом нейтронів в активній зоні.  З цією метою вводять регулювальні стрижні з матеріалу, який добре вбирає нейтрони (Кадмій, Бор). Зміною глибини їх введення регулюють потік нейтронів, а отже регулюють перебігом ланцюгової реакції.

 

5. 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 3,2·10^-11 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 300ºС. 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 230ºС під тиском 3·10⁶Па направляється на лопатки парової турбіни, а вона обертає ротор генератора електричної енергії.

 

6. Україна зацікавлена в будівництві нових типів ядерних    реакторів.

 

Україна зацікавлена в переговорах з Канадою стосовно будівництва ядерних реакторів, які працюють на незбагаченому урані.

 

– Реактори системи САNDU дозволять Україні зменшити енергозалежність від інших країн, – сказав Арсеній Яценюк.

 

Канадські реактори САNDU (САNadian Deuterium Uranium) працюють на природному, тобто незбагаченому урані, використовуючи важку воду, в якості уповільнювача нейтронів. Особливістю реактора  САNDU є значно більший вміст у його першому контурі тритія, що утворюється в результаті активації нейтронами дейтерія, який входить до складу важкої води. Розміри цих реакторів в декілька разів більші від легководневих, але вони є ефективнішими виробниками плутонію. Крім Канади, реактори САNDU експлуатуються в Аргентині, Пакистані, Румунії, Південній Кореї. Декілька таких реакторів збудовано  в Індії у рамках програми допомоги. Розглядається питання про будівництво такого типу реакторів у країнах Балтії.

 

Атомна енергетика є важливою складовою енергетичної безпеки нашої держави. Енергетична стратегія України на період до 2030 року, прийнята Кабінетом Міністрів на початку 2006 року, передбачає зростання ролі атомної енергетики. Це підкреслив у своєму виступі у Відні на 50-й Генеральній конференції Міжнародного агентства з атомної енергетики (МАГАТЕ) Міністр палива та енергетики України Юрій Бойко:

 

– Зважаючи на посилення конкуренції за вуглеводні, що обумовлено обмеженістю їхніх запасів і маршрутів доставки, а також загострення екологічних проблем, пов’язаних з використанням органічного палива, значення ядерної енергетики буде невпинно зростати.

 

У розвинутих країнах масштаби використання атомної енергії вражаючі. В США працює 109 атомних реакторів, частка яких у виробленні електроенергії країни складає 22%. Для промислово розвинутих країн із високою щільністю населення та обмеженими запасами органічного палива використання атомної енергетики – єдиний екологічно та економічно виправданий  шлях задоволення потреб в електроенергії. Наприклад, Франція повністю переорієнтувалася з теплової на атомну енергетику, забезпечуючи таким чином понад 75% вироблення своєї електроенергії. Заміна органічного палива ядерним дозволила Франції відмовитися від імпорту нафти для  ТЕС і використовувати власні запаси уранових руд. Таку ж програму витіснення на національному ринку електроенергетики органічного палива використовує і Японія, де заплановано збільшити електричну потугу атомних енергоблоків із 41 ГВт, що складає 30% від вироблення електроенергії, до 70 ГВт у 2010 році. Високі темпи розвитку атомної енергетики характерні і для інших економічно розвинутих країн Азії. Україна, експлуатуючи 15 атомних енергоблоків, виробляє понад 50% електроенергії в країні.

 

Маючи найбільші в Європі поклади уранової руди, Україна до кінця ХХІ століття може впевнено розвивати атомну енергетику. За відсутності достатніх для потреб національної економіки власних запасів нафти й газу та енергозалежності від Російської Федерації, Туркменії та інших країн  атомна енергетика в нашій країні фактично не має альтернативи, тому визначитися з базовим типом атомних реакторів доведеться вже зараз. При цьому варто врахувати, як зазначають спеціалісти, що ці реактори будуть працювати не менше 60 років. Тому в перспективі реактори САNDU можуть зняти залежність від російської компанії ТВЕЛ, яка постачає збагачений уран для українських атомних станцій.

 

 

 

 

 

VI. Осмислення нового матеріалу.

 

Учні працюють з НППЗ Ф – 11 і готують відповіді на запитання.

 

 

 

 

1. Яке призначення ядерного реактора? З яких конструктивних елементів він складається?
2. Як влаштований і як працює ядерний реактор?
3. Що таке критичні розміри і критична маса ядерного пального? Від чого вона залежить?
4. Як досягається керованість ланцюговою ядерною реакцією?
5. У чому характерна особливість роботи реактора на швидких нейтронах?

 

 

 

 

 

 

VII. Підсумок уроку.

 

Сьогодні ми з вами вивчили будову та принцип дії ядерних реакторів, які є основними пристроями атомних електростанцій. Україні необхідно працювати над зменшенням енергозалежності від інших країн, а значить збільшувати вироблення електроенергії на атомних електростанціях. Кожний  задумався: «Чи завжди ми робимо правильний вибір?» Над цією проблемою ми попрацюємо далі на наступних уроках.

Коментоване виставлення оцінок.

 

 

VIII. Домашнє завдання. §75, §76

 

Підготуватися до круглого столу за темою: «Проблеми розвитку ядерної енергетики в Україні. Чорнобильська катастрофа та ліквідація її наслідків. Боротьба за ліквідацію ядерної війни.», який ми проведемо у вигляді фізичного табу «Ядерній енергії – ТАК, НІ?»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

 

1. Гончаренко С.У. Фізика. Підручник для 11Класу. - К.: Освіта,  

    2002.

 

2. Кирик Л.А. Уроки фізики 11 клас, Харків: Ранок – НТ, 2004

 

3. Фізика в школі №11(311), квітень 2007

 

4. Навчальне програмне забезпечення з фізики для 11 класу

     загальноосвітніх навчальних закладів, АТЗТ «Квазар – Мікро

    – Техно», 2005

 

5. http://www.Refine.org.ua

 

6. http:// armor. Kiev.ua

 

7.  http://fotopalomnik.ru