Экологические проблемы ядерной энергетики в задачах
методическая разработка по физике на тему

«Экологические проблемы ядерной энергетики в задачах»

Цель: через блок задач показать, какие экологические проблемы выдвигает ядерная энергетика.

Задачи:                                                                                                                                                                1. Развивать способности ребят анализировать, сопоставлять факты и применять знания в нестандартных ситуациях.

2. Воспитывать у учащихся убеждения в необходимости и возможности сделать ядерную энергетику практически безопасной.

Оборудование: самодельные таблицы.

Человечество вступило в такую эпоху своего существования, когда потенциальная мощь создаваемых им средств, становится опасной для него самого. Человек еще не научился, к сожалению, получать энергию безотходным способом. В процессе производства энергии окружающая среда (атмосфера, земля, реки, моря) превращаются в экологически опасное пространство. Как известно, основные источники энергии сегодня - ископаемые виды топлива (уголь, нефть газ), у которых самый крупный недостаток - большой объем отходов ( шлак, зола, газ). Выделяемые ими газы обуславливают усиление парникового эффекта (углекислый газ) и выпадение кислотных дождей (сернистые газы). Поскольку в электроэнергетических ресурсах основную роль играют ТЭС, экологические неприятности, связанные с расходом ископаемого топлива, с одной стороны, постепенно нарастают, а с другой стороны грозят исчерпанием его запасов.

        Наиболее реальный выход из создавшегося положения - поиск альтернативных органическому топливу источников энергии, причем главное требования к новым источникам - это их экологическая чистота, значительная общая мощность и их относительная дешевизна. В настоящее время наиболее полно удовлетворяет этим требованиям ядерная энергетика.

        Конечно, научно – технический прогресс лишает человечество право на ошибки. После Чернобыльской катастрофы перспективы развития атомной энергетики, ее экологические последствия были пересмотрены и глубоко осмыслены; результатом острых научных споров и дискуссий стало не отрицание ядерной энергетики, а убеждение в необходимости и возможности сделать ее практически безопасной. Основной путь в этом направлении – создание реакторов с «внутренней», обусловленной физическими принципами действия, безопасностью.

        Чтобы основные проблемы ядерной энергетики стали ясны учащимся, важно рассматривать вопросы ядерной физики с экологических позиций, например, составив физические задачи  экологического содержания.

Первая группа таких задач – сопоставление энергетических характеристик наиболее распространенных источников энергии и энергетических установок по данным табл. 1.    

Задачи можно сформулировать так:

• Для чистого без замедлителя урана-235, имеющего форму шара. Критическая масса примерно равна 50 кг. Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г. Сколько килотонн ТНТ пришлось бы взорвать для получения той энергии, которая выделится в случае первой и второй критической массы урана- 235?
• 6 августа 1945 г на японский г. Хиросиму американцы сбросили бомбу      

« Малыш» массой 4100 кг, начиненную 7 кг урана – 235. 9 августа такая же участь постигла г. Нагасаки, на который была сброшена атомная бомба «Толстяк», массой 4500 кг, содержащая 1,3 кг плутония-239. Оцените « мощности» этих бомб в килотоннах ТНТ.

• 17 декабря 1988 г на полигоне около г.Семипалатинска был произведен подземный взрыв мощностью от 20 до 150 кт ТНТ. Какой массы ядерным зарядом было начинено взрывчатое устройство?
• В мире сейчас в общей сложности насчитывается примерно 50 тыс единиц ядерного оружия, причем мощность каждого из них не меньше, чем у бомбы, взорванной над Хиросимой. Считая, что они содержат по 2 кг ядерного заряда, определите, какое количество ядерного взрывчатого вещества накоплено человечеством и сколько в нем заключено энергии. Какое количество ТНТ « заготовлено» таким образом для каждого жителя планеты?
• Оцените среднесуточную (ежегодную) потребность в топливе электростанции мощностью 1000 МВт, если ее КПД 30%. Станция работает на: 1) угле (ответ: среднесуточная потребность 9 тыс. т или 130 вагонов  угля); 2) нефти ( около 6.1 тыс. т); 3) уране ( 3 кг урана-235 или 430 кг природного урана).

ПРИМЕЧАНИЕ. Доля выработки электроэнергии на АЭС составляет в настоящее время 12-15%. Интересно подсчитать, какой подвижной состав мог бы справиться с перевозкой по железным дорогам, например России, топлива для ТЭС, которые могли бы компенсировать энергию, вырабатываемую на АЭС.

Вторая группа задач экологического содержания связана с радиоактивностью материалов, используемых в ядерной энергетике, и с рассмотрением нежелательных, но обязательных ее спутников – радиоактивных отходов. При решении этих задач используются доступные учащимся количественные закономерности, приведенные в книге: Лазунов А.Т., Нурминский И.И.,Пинский А.А. Методика преподавания физики в средней школе ( М.: Просвещение, 1989 ); необходимые при этом единицы измерения радиоактивности можно взять из статьи А.А. Аносовой и Е.В. Павлова « Об основах радиационной дозиметрии» ( Физика в школе. 1990. № 2. с. 80).

Например, полезно предложить такие задачи:

• В 1907 г. М. Складовская – Кюри подарила Парижскому радиевому институту 1 г радия. Сколько радия осталось в настоящее время от подаренного количества? Оцените активность начального и оставшегося количества радия.
• Реактор типа ВВЭР-1000 ежегодно загружается 30 т урана. Обогащенного до 3% по урану-235. Какова начальная активность ядерного топлива? ( Ответ: 12 Ки; из них 10 Ки – активность 29.1 т урана – 238 и 2 Ки – активность 900 кг урана – 235)

Следующую группу задач можно составить на основе данных таблицы                                      Таблица II.

Доза излучения, мКл/кг    Действие радиации на организм человека( или рентген

Для составления задач полезны будут следующие сведения:

       -100 Р – критическая доза, после превышения которой появляются признаки лучевой болезни.

       -средняя доза облучения, накапливаемая человеком за год, составляет            400 мбэр, из них 100 мбэр  «обеспечивает» естественный фон;

       -30 бэр дает местное облучение при рентгеноскопии желудка .

       -3 бэр – доза, получаемая пациентом при рентгенографии зубов, а 370 мбэр – при флюорографии;

          -при ежедневном 3 – часовом просмотре телепередач человек получает  0,5 мбэр.

Вывод: данные типы задач развивают интерес ребят по изучаемой теме.