Ядерные реакции

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 14

Имени Героя Советского Союза

Анатолия Перфильева

г. Александров

                                         Исследовательская работа по физике

«Ядерные реакции»

Выполнили

ученицы

9В класса:

Рачек Мария,

Румянцева Виктория,

Есман Виталия

учитель

Романова О.Г.

2015

                                                            План проекта

Введение

Теоретическая часть

• История атома и радиоактивности. Строение атома.

• Деление урана. Цепная реакция.

• Ядерный реактор. Ядерная реакция. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию.

• Атомная энергетика.

• Применение ядерных двигателей в современности.

• Биологическое действие радиации.

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Актуальность:

Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. Потребление энергии растёт столь быстро, что известные в настоящее время запасы топлива окажутся исчерпанными в сравнительно короткое время. Проблему «энергетического голода» не решает и использование энергии так называемых возобновляемых источников (энергии рек, ветра, солнца, морских волн, глубинного тепла Земли), так как они могут обеспечить в лучшем случае только 5-10% наших потребностей. В связи с этим в середине XX века возникла необходимость поиска новых источников энергии.

        В настоящее время реальный вклад в энергоснабжение вносит ядерная энергетика, а именно, атомные электростанции (сокращённо АЭС). Поэтому мы решили выяснить, полезны ли человечеству АЭС.

Цели работы: 

1. Выяснить условия протекания ядерных реакций.
2. Выяснить принципы работы АЭС, а также узнать, хорошее или плохое влияние он оказывает на окружающую среду и на человека.

В рамках достижения цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Узнать строение атома, его состав, что такое радиоактивность.
2. Исследовать атом урана. Исследовать ядерную реакцию.
3. Исследовать принцип работы ядерных двигателей.

Методы исследования:

1. Теоретическая часть - чтение литературы о ядерных реакциях.

Теоретическая часть.

История атома и радиоактивности. Строение атома.

        Предположение о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, было высказано древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом примерно 2500 тысячи лет назад. Эти частицы получили названия «атом», что означает «неделимые». Атом – это мельчайшая частица вещества, простейшая, не имеющая составных частей.

        Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы.

        Наиболее ярким свидетельством сложного строения атома явилось открытие явления радиоактивности, сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году. Он обнаружил, что химический элемент уран самопроизвольно (т.е. без внешних взаимодействий) излучает ранее неизвестные невидимые лучи, которые позже были названы радиоактивным излучением. Поскольку радиоактивное излучение обладало необычными свойствами, многие учёные занялись его исследованием. Оказалось, что не только уран, но и некоторые другие химические элементы (например, радий) тоже самопроизвольно испускают радиоактивные лучи. Способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению стали называть радиоактивностью (от лат. radio – излучаю и activus – действенный).

Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом. В конце февраля 1896 года на заседании Французской академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ. Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена пластинка, на которой лежала урановая соль, не облучённая солнечным светом. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. Тогда Беккерель стал испытывать разные соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.

Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий. Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.

        В 1899 году в результате опыта, проведённого под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда, было обнаружено, что радиоактивное излучение радия неоднородно, т.е. имеет сложный состав. В середине расположен поток (излучение), не имеющее электрического заряда, а по бокам выстраивались 2 потока заряженных частиц. Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами, представляющими собой полностью ионизированные атомы гелия, а отрицательно заряженные – бета-частицы, представляющие собой элетроны. Нейтральные получили название гамма-частицы или гамма-кванты. Гамма-излучение, как выяснилось позже, представляет собой один из диапазонов электромагнитного излучения.

        Поскольку было известно, что атом в целом нейтрален, явление радиоактивности позволило учёным создать примерную модель атома. Первым, кто это сделал, был английский физик Джозеф Джон Томсон, создавший одну из первых моделей атома в 1903 году. Модель представляла собой шар, по всему объёму которого был равномерно распределён положительный заряд. Внутри шара находились электроны, каждый их которых мог совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Модель напоминала по форме и строению кекс с изюмом. Положительный заряд равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому заряд атома в целом равен нулю.

        Модель строения атома Томсона нуждалась в экспериментальной проверке, которой занялся в 1911 году Резерфорд. Он провёл опыты и пришёл к выводу, что модель атома представляет собой шар, в центре которого расположено положительно заряженное ядро, занимающее малый объём от всего атома. Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше. Атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарному заряда электронов. Резерфорд также установил, что ядро атома имеет диаметр примерно  10-14 – 10-15 м, т.е. оно в сотни тысяч раз меньше атома. Именно ядро претерпевает изменение при радиоактивных превращениях, т.е. радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц. Чтобы зарегистрировать (увидеть) частицы, в 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер изобрёл так называемый счётчик Гейгера.

Позже положительно заряженные частицы в атоме получили название протонов, а отрицательные – нейтронов. Протоны и нейтроны получили общее название нуклоны.

Деление урана. Цепная реакция.

        Деление ядер урана при его бомбардировке нейтронами было открыто в 1939 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

Рассмотрим механизм этого явления. Поглотив лишний нейтрон, ядро приходит в действие и деформируется, приобретая вытянутую форму.

В ядре действует 2 вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают 2-3 нейтрона. Часть внутренней энергии переходит в кинетическую. Осколки ядра быстро тормозят в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию среды. При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура возрастают. Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду. Энергия колоссальна. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделится при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую используют цепные реакции деления ядер, основанные на том, что 2-3 нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, могут принять участие в делении других ядер, которые их захватят. Для поддержания непрерывности цепной реакции важно учитывать массу урана. Если масса урана слишком мала, то нейтроны вылетают за его пределы, не встречая на своём пути ядро. Цепная реакция прекращается. Чем больше масса куска урана, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. Вероятность встречи нейтронов с ядрами атомов возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов. Число появившихся после деления ядер нейтронов равно числу потерянных нейтронов, поэтому реакция может продолжаться длительное время. Чтобы реакция не прекращалась, нужно брать массу урана определённого значения – критическую. Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

Ядерный реактор. Ядерная реакция. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию.

Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор, названный СР-1, построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В настоящее время, по данным МАГАТЭ, в мире насчитывается 441 реактор в 30 странах. Также ведётся строительство ещё 44 реакторов.

В ядерном реакторе в качестве делящегося вещества используется в основном уран-235. Такой реактор называется реактором на медленных нейтронах. Замедлителем нейтронов могут выступать разные вещества:

1. Вода. Достоинства обычной воды как замедлителя — её доступность и дешевизна. Недостатками воды являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана.
2. Тяжёлая вода. Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатком тяжёлой воды является её высокая стоимость.
3. Графит. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Сначала из смеси прессуют блоки, а затем эти блоки термически обрабатывают при высокой температуре. Графит имеет плотность 1,6—1,8 г/см3. Он сублимирует при температуре 3800—3900 °C. Нагретый в воздухе до 400 °C графит загорается. Поэтому в энергетических реакторах он содержится в атмосфере инертного газа (гелий, азот).
4. Бериллий. Один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282 °C) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в пороговой реакции возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами внутри бериллия накапливается газ, под давлением которого бериллий распухает. Применение бериллия ограничено также его высокой стоимостью. Кроме того, бериллий и его соединения весьма токсичны. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов.

Части реактора на медленных нейтронах: в активной зоне расположено ядерное топливо в виде урановых стержней и замедлитель нейтронов (например, вода), отражатель (слой вещества, который окружает активную зону) и защитная оболочка из бетона. Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. Для запуска реактора их постепенно выводят из активной зоны. Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов водорода и кислорода, отдают им часть своей кинетической энергии. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении ядер. Активная зона с помощью труб соединяется с теплообменником, образуя первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают в нём циркуляцию воды. Нагретая вода проходит через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура и превращает её в пар. Таким образом, вода в активной зоне служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло. После энергия пара в змеевике преобразуется в электрическую энергию. Посредством пара вращается турбина, которая приводит в движение ротор генератора электрического тока. Отработанные пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.

Ядерный двигатель использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Традиционный ЯД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще - аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Атомная энергетика.

Атомная энергетика -  область техники, основанная на использовании реакции деления атомных ядер для выработки теплоты и производства электроэнергии. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС.

        Первый европейский реактор был создан в 1946 году в Советском Союзе под руководством Игоря Васильевича Курчатова. В 1954 году в Обнинске была введена в действие первая АЭС. Преимущества АЭС:

1. Главное преимущество — практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Эксплуатация АЭС обходится значительно дешевле, чем ТЭС. Правда, строительство ТЭС дешевле, чем строительство АЭС.
2. Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ составляют  примерно 13 000 т в год на газовых и 165 000 т на пылеугольных ТЭС. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют. ТЭС потребляет 8 миллионов т кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще. Кроме того, больший удельный выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. Большинство радионуклидов с ТЭС долгоживущие. Большая часть радионуклидов с АЭС довольно быстро распадается, превращаясь в нерадиоактивные.
3. Для большинства стран, в том числе и России, производство электроэнергии на АЭС не дороже, чем на пылеугольных и тем более газомазутных ТЭС. Особенно заметно преимущество АЭС в стоимости производимой электроэнергии во время так называемых энергетических кризисов, начавшихся с начала 70-х годов. Падение цен на нефть автоматически снижает конкурентоспособность АЭС.

Применение ядерных двигателей в современности.

        По мере развития ядерной физики все отчетливее вырисовывалась перспектива создания атомных энергетических установок. Первый практический шаг в этом направлении сделал Советский Союз, где в 1954г. была построена атомная электростанция.

В 1959г. под флагом СССР вступило в строй первое в мире атомное судно — ледокол «Ленин», который успешно проводил караваны торговых судов в тяжелых условиях Заполярья.

В последние годы XIX века заступили на арктическую вахту мощные советские атомные ледоколы «Арктика» и «Сибирь»...

Особенно большие возможности атомная энергетика открыла для подводных лодок, позволив решить две наиболее актуальные проблемы — увеличения подводной скорости и увеличения длительности плавания под водой без всплытия. Ведь самые совершенные дизель-электрические подводные лодки не могут развить под водой более 18—20 уз, да и эту скорость поддерживают лишь около часа, после чего вынуждены всплывать для зарядки аккумуляторных батарей.

В таких условиях по указанию ЦК КПСС и Советского правительства в нашей стране в кратчайший срок был создан атомный подводный флот. Советские подводные атомоходы неоднократно пересекали Северный Ледовитый океан подо льдами, всплывали в районе Северного полюса. В канун XXIII съезда КПСС группа атомных подводных лодок совершила кругосветное плавание, пройдя около 22 тыс. миль под водой без всплытия...

Основным отличием атомной подводной лодки от паросиловой является замена парового котла реактором, в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления атомов ядерного топлива с выделением тепла, используемого для получения пара в парогенераторе.

Атомная установка создала для подводных лодок реальную перспективу не только сравняться в скорости с надводными кораблями, но и превзойти их. Как мы знаем, в погруженном состоянии подводная лодка не испытывает волнового сопротивления, на преодоление которого быстроходные надводные водоизмещающие корабли затрачивают большую часть мощности энергетической установки.

Биологическое действие радиации.

        Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут “запустить” не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения, — как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки индивидуума, подвергшегося облучению.

        В зависимости от вида излучений, дозы облучения и его условий возможны различные виды лучевого поражения. Это острая лучевая болезнь (ОЛБ) - от внешнего облучения, ОЛБ - от внутреннего облучения, хроническая лучевая болезнь, различные клинические формы с преимущественно локальным поражением отдельных органов, которые могут характеризоваться острым, подострым или хроническим течением; это отдаленные последствия, среди которых наиболее существенно возникновение злокачественных опухолей; дегенеративные и дистрофические процессы (катаракта, стерильность, cклеротические изменения). Сюда же относят генетические последствия, наблюдаемые у потомков облученных родителей. Вызывающие их развитие ионизирующие излучения, благодаря высокой проникающей способности воздействуют на ткани, клетки, внутриклеточные структуры, молекулы и атомы в любой точке организма.

Живые существа на воздействие излучений реагируют различно, причем развитие лучевых реакций во многом зависит от дозы излучений. Поэтому целесообразно различать: 1) воздействие малых доз, примерно до 10 рад; 2) воздействие средних доз, обычно применяемых с терапевтическими целями, которые граничат своим верхним пределом с воздействием высоких доз. При воздействии излучении различают реакции, возникающие немедленно, ранние реакции, а также поздние (отдаленные) проявления. Конечный результат облучения часто во многом зависит от мощности дозы, различных условий облучения и особенно от природы излучений. Это относится также к области применения излучений в клинической практике с лечебными целями.

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно - на младенцев, детей и подростков.

        Рак - наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах. Обширные обследования, охватившие 100000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показали, что пока рак является единственной причиной повышенной смертности в этой группе населения.

Заключение.

        Проведя исследование, мы выяснили, что ядерное топливо и ядерные двигатели приносят огромную пользу человеку. Благодаря ним человек нашёл дешёвые источники тепла и энергии (одна АЭС заменяет человеку несколько десятков, а то и сотен обычных ТЭС), смог попасть через льды на Северный Полюс и опуститься на дно океана. Но всё это работает только тогда, когда правильно применяется, т.е. в нужном количестве и только в мирных целях. Немало было зарегистрировано случаев взрывов АЭС (Чернобыль, Фукусима) и взрывы атомных бомб (Хиросима  и Нагасаки).

Но от последствий радиоактивных отходов никто не защищён. Многие люди страдают от лучевых болезней и рака, вызванных радиоактивным излучением. Но мы думаем, что через несколько лет учёные придумают методы утилизации радиоактивных отходов без вреда для здоровья и изобретут лекарства от всех этих болезней.

Список используемой литературы.

1. А. В. Пёрышкин, Е. М. Гутник. «Учебник по физике для 9 класса».
2. Г. Кесслер. «Ядерная энергетика».
3. Р. Г. Перельман. «Ядерные двигатели».
4. Э. Резерфорд. «Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение».
5. https://ru.wikipedia.org