методическая разработка по проведению урока по теме:"Ядерный реактор"
методическая разработка по физике (9 класс) на тему

Методическая разработка по проведению урока по теме  Ядерный реактор

Цель урока: ознакомить учащихся с делением ядер урана, что позволяет получить большое количество ядерной энергии; объяснить устройство и принцип действия ядерного реактора.

Задачи:

Предметные: повторение ранее приобретенных знаний, знакомство с ядерной энергией.

Метапредметные: развитие аналитического мышления, связной речи и познавательной активности учащихся.

Личностные: развитие коммуникативных навыков, умения видеть практическую пользу знаний; привитие интереса к физике.

Тип урока: Урок изучения нового материала.

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Деление ядер урана

Атомные ядра, содержащие большое число нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деление ядра Урана 23592U под действием медленных нейтронов. Использования нейтронов для деления ядер обусловлено их электрической нейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра (обозначим 23692U*), которые возникают, являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа 23692U*, то есть до его разделения на ядра меньшей массы, которые называются осколками деления. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2 : 3. Большинство крупных обломков имеют массовое число А в пределах 135-145, а мелкие от 90 до 100. В результате реакции деления ядра Урана 23592U образуются два или три нейтроны. Одна из возможных реакций деления ядра урана протекает по схеме:

Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов:

Ø Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.

Энергия, выделяющаяся при делении ядра, имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют обломки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

2. Цепная ядерная реакция

Любой из нейтронов, вылетающий из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные привести к дальнейшему делению. В результате число ядер, которые делятся, очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.

Ø Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции.

Суть этой реакции заключается в том, что испущенные при делении одного ядра N нейтронов могут вызвать деление N ядер, в результате чего будет выпущено N2 новых нейтронов, которые предопределяют разделение N2 ядер, и тому подобное. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс

имеет лавинообразный характер, протекает очень быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.

Для осуществления цепной реакции нельзя использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. Через ряд причин из ядер, встречающихся в природе, пригодны до этого лишь ядра изотопов Урана с массовым числом 292, то есть 23592U.

3. Ядерный реактор

Цепную ядерную реакцию ученые и инженеры смогли сделать управляемой: для этого необходимо было обеспечить, чтобы количество ядер, делящихся в единицу времени оставалась постоянной. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1952 г. в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми.

Ø Ядерным реактором называется устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

 Для выполнения управляемой цепной реакции наиболее эффективными являются медленные нейтроны, кинетическая энергия которых в десятки раз меньше, чем энергия нейтронов, вылетающих при делении ядер. Поэтому возникает потребность в замедлителе нейтронов. Лучшим замедлителем является тяжелая вода. Обычная вода сама захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтроны.

Чтобы количество ядер урана, делящихся в единицу времени, оставалась постоянной, необходимо, чтобы оставалось постоянным и число медленных нейтронов. Если их количество начнет увеличиваться, это грозит атомным взрывом, а если начнет уменьшаться — реакция «погаснет».

Чтобы обеспечить постоянство числа нейтронов, используют поглотители нейтронов — вещества, ядра которых эффективно поглощают нейтроны. Хорошими поглотителями нейтронов являются кадмий и бор. Из них изготовляют регулирующие стержни, вводимые в рабочее пространство ядерного реактора: изменяя глубину погружения этих стержней, можно изменять число ядер урана, которые делятся ежесекундно.

Чтобы в образце урана могла происходить цепная ядерная реакция, его масса должна быть достаточно большой. Это необходимо для того, чтобы нейтроны, испускаемые при делении ядер, не вылетали сразу же за пределы образца, а вызывали новые реакции деления.

Ø Наименьшую массу вещества, что делится и при которой возможна цепная ядерная реакция, называют критической массой.

Для шарообразного образца чистого урана 23592U критическая масса равна примерно 50 кг. Однако ее можно уменьшить в десятки раз, используя замедлители нейтронов и окружая образец берилієвою оболочкой — она отражает нейтроны, вылетающие в зону реакции, увеличивая их путь в образце.

На рисунке  изображена схема устройства атомной электростанции (АЭС) с ядерным реактором на медленных нейтронах.

Ядерное топливо располагается в активной зоне  в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Активная зона окружена отражателем  и толстой защитной оболочкой из железобетона .

Реактором управляют с помощью регулирующих стержней , изготовленных из поглотителя нейтронов.

Тепло с горячей активной зоны реактора выводится теплоносителем (например, водой). Теплоноситель первого контура передает тепло в парогенератор , превращая воду в пар под высоким давлением, и потом снова возвращается в активную зону. Пар, образовавшийся в парогенераторе, вращает турбину , соединенную с генератором электроэнергии . Отработавший пар конденсируется в конденсаторе, откуда вода снова поступает в парогенератор.

Главное преимущество АЭС заключается в том, что для их работы необходимо очень малое (по массе) количество топлива по сравнению с тепловыми электростанциями. Кроме этого, запасы ядерного топлива достаточно велики: по разным оценкам его может хватить на несколько веков.

АЭС, что нормально функционируют, загрязняют окружающую среду значительно меньше, чем тепловые электростанции.

Вопросы к учащимся в ходе изложения нового материала

· Почему нейтроны оказываются наиболее удобными участками для бомбардировки атомных ядер?

· Что происходит при попадании нейтрона в ядро Урана?

· Почему во время деления ядер Урана выделяется энергия?

· В чем заключается управление ядерной реакцией?

· Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?

· Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?

· Для чего в ядерном реакторе используется замедлитель нейтронов?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Сгорает кусок бумаги. Или горения является цепной реакцией? Химической или ядерной?

2. Какие преобразования энергии происходят в ядерном реакторе?

3. Что общего в ядерном реакторе и паровом котле?

2). Учимся решать задачи

1. Ядро урана 23592U поглощает один нейтрон и делится на два обломка и четыре нейтроны. Один из осколков — ядро 13755Cs. Ядром которого изотопа является второй осколок?

2. Напишите цепочку ядерных превращений ядра Урана 23892U, захватившего нейтрон, в Плутоний 23994Рu, учитывая то, что все ядра, которые вновь образуются, является бета-радиоактивными, то есть подвергаются радиоактивному распаду с испусканием электрона.

Решение: 

Что мы узнали на уроке

· Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.

· Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции.

· Ядерным реактором называется устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

· Наименьшую массу вещества, что делится и при которой возможна цепная ядерная реакция, называют критической массой.

Домашнее задание

1. Подр.: § 36.

2. Зб.: № 18.1; 18.2; 18.3; 18.4; 18.5.