Физика. Орієнтовний розподіл навчального часу
 Скачать 3.21 Mb.
|
|
Тема. Ядерний реактор Мета уроку: ознайомити учнів з розподілом ядер урану, що дозволяє одержати велику кількість ядерної енергії; пояснити будову й принцип дії ядерного реактора. Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу. План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Поділ ядер урану Атомні ядра, що містять велике число нуклонів, нестійкі і можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрасс-ман спостерігали поділ ядра Урану  під дією повільних ней-тронів. Використання саме нейтронів для поділу ядер обумовлено їхньою електричною нейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує тендітну стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо  ), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. Їхнє взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу , тобто Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика до його поділу на ядра меншої маси, що називаються уламками поділу. Причому найбільш імовірним виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3. Більшість великих уламків мають масове число А в межах 135—145, а дрібні від 90 до 100. У результаті реакції поділу ядра Урану  утворюються два читри нейтрони. Одна з можливих реакцій поділу ядра урану протікає за схемою:  Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:  ^ Поділом ядра називається ядерна реакція розподілу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, що називаються уламками поділу. Енергія, що виділяється під час поділу ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування. За повного поділу всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти. 2. Ланцюгова ядерна реакція Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра в процесі поділу, може, у свою чергу, спричинити поділ сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні призвести до подальшого поділу. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція. ^ Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції. Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час поділу одного ядра N нейтронів можуть спричинити поділ N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, що зумовлюють поділ N2ядер, тощо. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії. У цілому процес  КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас» має лавиноподібний характер, протікає дуже швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.  Для здійснення ланцюгової реакції не можна використовувати будь-які ядра, що діляться під впливом нейтронів. Через низку причин з ядер, що зустрічаються в природі, придатні до цього лише ядра ізотопів Урану з масовим числом 235, тобто  3. Ядерний реактор Ланцюгову ядерну реакцію вчені й інженери змогли зробити керованою: для цього необхідно було забезпечити, щоб кількість ядер, що діляться, в одиницю часу залишалася постійною. Уперше керована ланцюгова реакція поділу ядер урану була здійснена 1942 р. у США під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі. ^ Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер. Як було встановлено дослідним шляхом, для виконання ланцюгової керованої реакції найбільш ефективними є повільні нейтрони, кінетична енергія яких у десятки разів менше, ніж енергія нейтронів, що вилітають під час поділу ядер. Тому виникає потреба Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика в уповільнювачі нейтронів. Кращим сповільнювачем є важка вода. Звичайна вода сама захоплює нейтрони і перетворюється на важку воду. Гарним уповільнювачем вважається також графіт, ядра якого не поглинають нейтрони. Щоб кількість ядер урану, що діляться в одиницю часу, залишалася постійною, необхідно, щоб залишалося постійним і число повільних нейтронів. Якщо їхня кількість почне збільшуватися, це загрожує атомним вибухом, а якщо почне зменшуватися — реакція «згасне». Щоб забезпечити сталість числа нейтронів, використовують поглиначі нейтронів — речовини, ядра яких ефективно поглинають нейтрони. Гарними поглиначами нейтронів є кадмій і бор. З них виготовляють регулюючі стрижні, що вводяться в робочий простір ядерного реактора: змінюючи глибину занурення цих стрижнів, можна змінювати число ядер урану, які діляться щомиті. Щоб у зразку урану могла відбуватися ланцюгова ядерна реакція, його маса повинна бути досить великою. Це необхідно для того, щоб нейтрони, що випускаються під час поділу ядер, не вилітали відразу ж за межі зразка, а спричиняли нові реакції поділу. ^ Найменшу масу речовини, що ділиться і за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою. Для кулястого зразка чистого урану  критична маса дорівнює приблизно 50 кг. Однак її можна зменшити в десятки разів, використовуючи уповільнювачі нейтронів і оточуючи зразок берилієвою оболонкою — вона відбиває нейтрони, що вилітають, у зону реакції, збільшуючи їхній шлях у зразку.На рисунку схематично зображена схема будови атомної електростанції (АЕС) з ядерним реактором на повільних нейтронах.  Ядерне паливо розташовується в активній зоні (1) у вигляді вертикальних стрижнів, що називаються тепловидільними елементами (ТВЕЛ). Активна зона оточена відбивачем (2) і товстою захисною оболонкою із залізобетону (3). Реактором керують за допомогою регулюючих стрижнів (4), виготовлених з поглинача нейтронів. Тепло з гарячої активної зони реактора виводиться теплоносієм (наприклад, водою). Теплоносій першого контуру передає тепло в парогенератор (5), перетворюючи воду на пару під високим тиском, і повертається потім знову в активну зону. Пара, що утворилася в парогенераторі, обертає турбіну (6), з'єднану з генератором електроенергії (7). Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі (8), звідки вода знову надходить у парогенератор. Головна перевага АЕС полягає в тому, що для їхньої роботи необхідно дуже мала (за масою) кількість палива порівняно з тепловими електростанціями. Крім цього, запаси ядерного палива досить великі: за різними оцінками його може вистачити на кілька століть. АЕС, що нормально функціонують, забруднюють навколишнє середовище значно менше, ніж теплові електростанції. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинками для бомбардування атомних ядер? ? Що відбувається при потраплянні нейтрона в ядро Урану? ? Чому під час поділу ядер Урану виділяється енергія? ? У чому полягає керування ядерною реакцією? ? Для чого потрібно, щоб маса кожного уранового стрижня була меншою за критичну масу? ? Для чого потрібні регулюючі стрижні? Як ними користуються? ? Для чого в ядерному реакторі використовується уповільнювач нейтронів? ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання Згоряє шматок паперу. Чи є горіння ланцюговою реакцією? Хімічною чи ядерною? Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі? Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика 3. Що спільного в ядерному реакторі й паровому котлі? 2. Навчаємося розв'язувати задачі Ядро урану  поглинає один нейтрон і ділиться на два уламки й чотири нейтрони. Один з уламків — ядро . Ядром якого ізотопу є другий уламок? Напишіть ланцюжок ядерних перетворень ядра Урану  що захопив нейтрон, у Плутоній , з огляду на те, що всі ядра, які знову утворюються, є бета-радіоактивними, тобто зазнають радіоактивного розпаду з випущенням електрона. Розв'язок: .Що ми дізналися на уроці Поділом ядра називається ядерна реакція поділу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, що називаються уламками поділу. Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції. Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер. Найменшу масу речовини, що ділиться й за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою. Домашнє завдання Підр.: § 36. Зб.: № 18.1; 18.2; 18.3; 18.4; 18.5. Урок 8/55 Тема. Ядерна енергетика Мета уроку: ознайомити учнів з галуззю застосування атомної енергії. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Застосування радіоактивних ізотопів у медицині Ще 1911 року Содді висловив припущення про можливість існування елементів з однаковими хімічними властивостями, які, проте, розрізняються в інших аспектах, зокрема своєю радіоактивністю. ^ Атоми, що мають однаковий заряд, але різну атомну масу, називаються ізотопами. За допомогою ядерних реакцій можна одержати радіоактивні ізотопи всіх хімічних елементів, що зустрічаються в природі тільки в стабільному стані. Радіоактивні ізотопи застосовуються в медицині як для визначення діагнозу, так і в терапевтичних цілях. Так, радіоактивний натрій, що вводиться в невеликих кількостях у кров, використовується для дослідження кровообігу, йод інтенсивно відкладається в щитовидній залозі, особливо при базе-довій хворобі. Спостерігаючи за допомогою лічильника за відкладенням радіоактивного йоду, можна швидко поставити діагноз. Великі дози радіоактивного йоду спричиняють часткове руйнування тканин, що розвиваються аномально, і тому радіоактивний йод використовують для лікування базедової хвороби. Інтенсивне гамма-випромінювання кобальту використовується під час лікування ракових захворювань (кобальтова гармата). Унікальність ізотопної діагностики полягає в її точності, надійності, можливості частого застосування, а головне — здатності діагностувати захворювання вже на ранній стадії. Такі радіонукліди, як Талій-201 і Рубідій-82, використовуються для одержання зображення серця, інші (наприклад, Тех-нецій-99) використовуються під час сканування мозку, кісткових тканин, а також для діагностики таких захворювань, як рак, хвороба Альцгеймера й інших. Для проведення високоефективного ізотопного діагностування, що дозволяє визначити динаміку біохімічних процесів у всіх ділянках організму, використовується Карбон-11, Нітроген-13, Фтор-18. Ряд ізотопів (Палладій-103, Іридій-192) уже застосовують для лікування ракових захворювань, а деякі ізотопи можна використовувати як анальгетики й стерилізатори. 2. Використання γ-випромінювання в техніці Гамма-випромінювання виникає під час розпадів радіоактивних ядер, випускається при переході ядра з більш збудженого енергетичного стану в менш збуджений. Гамма-випромінювання має велику проникну здатність, тобто може проникати крізь великі товщі речовини без помітного ослаблення. Гамма-випромінювання знаходить застосування в техніці, наприклад, для виявлення дефектів у металевих деталях — гамма-дефектоскопія. За допомогою γ-дефектоскопів перевіряють, наприклад, якість зварених з'єднань елементів конструкцій (чи то міст, чи то ядерний реактор). За рахунок різного поглинання γ-випромінювання сталлю і порожнечами в ній дефектоскоп «бачить» тріщини всередині металу й виявляє брак на стадії виготовлення. Гамма-випромінювання використовується в харчовій промисловості для стерилізації продуктів харчування. З одного боку, гамма-випромінювання може викликати променеве ураження організму, аж до його загибелі, з іншого боку, використовується в медицині для лікування пухлин, стерилізації апаратури, лікарських препаратів, приміщень. Сучасні можливості променевої терапії розширилися в першу чергу за рахунок засобів і методів дистанційної гамма-терапії. Успіхи дистанційної гамма-терапії були забезпечені в результаті копіткої роботи в галузі використання потужних штучних радіоактивних джерел гамма-випромінювання (Кобальт-60, Цезій-137), а також нових гамма-препаратів. 3. Переваги атомних електростанцій Споживання енергії в нашій країні й за кордоном росте настільки швидко, що відомі на сьогодні запаси палива швидко вичерпаються за порівняно короткий термін. Наприклад, запасів вугілля може вистачити років на 350, нафти — на 40 років, природного газу вистачить років на 60. На сьогодні реальний внесок в енергопостачання робить ядерна енергетика. Незважаючи на відомі небезпеки, пов'язані з радіоактивними випромінюваннями, а також небезпекою вибухів, ядерна енергетика розвивається в усьому світі. Атомні електростанції (АЕС) будують, насамперед, у європейській частині країни. Це пов'язано з тим, що АЕС мають низку переваг порівняно з тепловими електростанціями: ядерні реактори не споживають дефіцитного органічного палива і не потребують масових перевезень вугілля залізничним транспортом; для роботи АЕС потрібна дуже невелика кількість палива; АЕС не споживають атмосферний кисень і не засмічують середовище золою і продуктами згоряння (екологічна частота); АЕС не вимагають створення великих водоймищ, що займають великі площі родючих земель. Однак під час використання енергії ядер у мирних цілях виникають інші проблеми. Перша полягає в необхідності захисту людей, що обслуговують ядерні енергетичні установки, від шкідливої дії гамма-випромінювання й потоків нейтронів, що виникають в активній зоні реактора. Друга проблема пов'язана з тим, що під час роботи реактора в його активній зоні накопичується велика кількість штучних радіоактивних речовин. Для запобігання їх випадковому викиду з реактора розроблені автоматичні протиаварійні системи, ведеться безупинний автоматичний контроль за станом чистоти повітря, води, ґрунту навколо атомних станцій. Крім того, у результаті роботи АЕС виникають ядерні відходи. Радіоактивність відпрацьованих ТВЕЛів залишається високою, являючи небезпеку для людей навіть через 25 000 років. Відпрацьовані ТВЕЛи зберігають у рідкому вигляді в цистернах з нержавіючої сталі, оточених бетоном. Найбільш активні відходи склять і зберігають у глибоких шахтах під землею. І все-таки без ядерної енергетики людству, очевидно, не обійтися. Тому на сьогодні проводяться інтенсивні дослідження з метою підвищення безпеки реакторів, посилення засобів захисту, зокрема, від помилкових дій обслуговуючого персоналу. 4. Ядерна зброя Некерована ланцюгова реакція здійснюється в атомній бомбі. Щоб міг відбутися вибух, розміри матеріалу, що ділиться, повинні перевищувати критичні. Це досягається, наприклад, шляхом швидкого поєднання двох шматків матеріалу, що ділиться. Під час вибуху бомби температура досягає десятків мільйонів градусів. За такої температурі різко підвищується тиск та утворюється потужна вибухова хвиля. Одночасно виникає могутнє випромінювання. Продукти ланцюгової реакції під час вибуху бомби сильно радіоактивні й небезпечні для живих організмів. Атомні бомби були застосовані США наприкінці Другої світової війни проти Японії. 6 серпня 1945 р. на міста Хіросіма й Нагасакі були скинуті атомні бомби. Зі створенням ядерної зброї перемога у війні стала неможливою. Термоядерний вибух знищує все живе на відстані до 140 км від його епіцентра. Ядерна війна здатна привести людство до загибелі, тому народи усього світу наполегливо борються за заборону ядерної зброї. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Що таке радіоактивні ізотопи? ? Чим обумовлена сильна проникна здатність γ-випроміню-вання? ? У зв'язку з чим у середині ХХ століття виникла необхідність знаходження нових джерел енергії? ? Чи може людство обійтися без ядерної енергетики? ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання У чому полягає принципова відмінність керованих ядерних реакцій від некерованих? Які проблеми виникають під час використання ядерної енергії в мирних цілях? У чому полягає метод «мічених» атомів? Наведіть приклади використання цього методу. 2. Навчаємося розв'язувати задачі Під час вибуху атомної бомби (серпень, 1945 р.) утворилося багато різних радіоактивних елементів. Які з них становили небезпеку тільки в перші години після вибуху, а які можуть загрожувати життю людей і зараз? Чи змінюється хімічна природа елемента під час випуску γ-випро-мінювання з його ядра? Домашнє завдання Підр.: § 36, 37. Зб.: № 18.6; 18.7; 18.8; 18.9; 18.10; 18.11. Д.: підготуватися до самостійної роботи № 16. Задачі із самостійної роботи № 16 «Радіоактивність. Ядерні реакції. Ядерна енергетика» Середній рівень Чи можна за допомогою хімічних реакцій перетворювати атоми одного хімічного елемента на атоми іншого хімічного елемента? Поясніть свою відповідь. Чому нейтрони виявилися найбільш зручними частинками для бомбардування атомних ядер? Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика Достатній рівень Напишіть відсутні позначення в таких ядерних реакціях: а)  б)  Закінчіть запис ядерних реакцій: а)  б)  Високий рівень Ядерні реакції класифікуються за видом частинок, що бомбардують ядро. Яка частинка застосовувалася в таких реакціях? а)  б) в) Під час бомбардування ядер атома заліза  нейтронами утворюється радіоактивний ізотоп Марганцю з атомною масою 56. Напишіть реакцію одержання штучного радіоактивного Марганцю і реакцію β-розпаду, що відбувається з ним.Урок 9/56 |