"Ядерные реакции. Ядерные реакторы"

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Луганской Народной Республики

"Луганский колледж автосервиса имени А.А.Гизая"

Методическая разработка по физике

тема: «Ядерные реакции. Ядерный реактор»

подготовил: преподаватель Крючков Виктор Владимирович

2021

Цель: сформировать у обучающихся представление о протекании цепных ядерных реакций, показать связь с предыдущими темами: строение атома и атомного ядра, радиоактивность; и с историей науки и человечества, с развитием российской науки.

Задачи:

1. образовательные: сформировать у обучающихся новые знания о цепных ядерных реакциях, условиях их протекания и формах реализации, закрепить и проверить знания по предыдущим темам, показать их взаимосвязь;

2. развивающие: продолжать развивать умение обучающихся проводить анализ и оценку работы, продолжать работу по развитию умения наблюдать, сопоставлять, сравнивать и обобщать результаты;

3. воспитательные: стимулировать обучающихся к работе на занятиях, продолжить формирование познавательного интереса к предмету «Физика», продолжать развивать навыки грамотной, монологической и диалогической речи обучающихся с использованием физических терминов. Содействовать развитию у обучающихся навыков коллективной работы, продолжить работу по развитию внимания обучающихся, самостоятельности и целеустремлённости в достижении поставленных целей.

Межпредметные связи: история науки, химия

Оснащение занятия: компьютер, проектор, экран, видео-уроки

Тип урока: комбинированный

Рекомендации по изучению:

1. По ссылке https://www.youtube.com/watch?v=XG4Ks7RAY6A просмотреть видео-урок

2. По ссылке https://www.youtube.com/watch?v=87tqW1fSezk просмотреть видео-урок

3. По ссылке https://www.youtube.com/watch?v=TztAOjm69m4&t=3s просмотреть видео-урок

4. Ознакомиться и законспектировать

Ход занятия:

1. Организационный этап – 3 мин.

Дидактическая задача: подготовить обучающихся к работе на занятии

Сегодня на уроке мы ознакомимся с первыми ядерными реакциями, ускорителями заряженных частиц. Узнаем, что такое термоядерная реакция и как устроен ядерный реактор.

1. Мотивация учебной деятельности – 5 мин.

Дидактическая задача: сообщить тему занятия, организовать и целенаправить учебную деятельность обучающихся

Содержание этапа: сообщить план урока, его этапы, цели и задачи, пути их реализации, показать значимость, важность данной темы и ее связь с другими предметами и изученными темами

1. Актуализация знаний – 7 мин.

1. Что такое радиоактивность?

2. Какие виды радиоактивного распада вы знаете?

3. Что такое период полураспада?

4. Строение атомного ядра.

5. Энергия связи атомных ядер.

1. Изучение нового материала – 15 мин.

Ядерными реакциями называют превращение одних ядер в другие при взаимодействии с какими-то частицами.

В начале развития ядерной физики учёные располагали лишь одним «орудием» для «разбития» ядра – это альфа-частицы, которые при радиоактивном распаде излучали радиоактивные препараты.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом. Он бомбардировал атомы азота α-частицами, в результате получался кислород и вылетал протон.

Джеймс Чедвик при бомбардировке α-частицами бериллия обнаружил, что из ядра бериллия вылетает нейтрон и получается ядро углерода.

Однако α-частицы не всегда способны разбить ядро, так как они также обладают положительным зарядом и, при определённых условиях, электрическое отталкивание со стороны ядра настолько большое, что α-частица не сможет с ним столкнуться.

Рис. 1. 27-дюймовый циклотрон С. Ливингстоуна и Э. Лоуренса, разгонявший частицы до 5 МэВ (1932 г.)

Следующий этап исследований ядерных реакций был связан с конструированием ускорителей заряженных частиц (см. Рис. 1). В данных приборах частицы разгонялись и, вылетая из ускорителя, ударялись об исследуемые ядра. Хотя мощность первых установок была невелика, но разгонявшиеся в них протоны или дейтроны были более эффективными для создания ядерных реакций, чем α-частицы. Это объясняется тем, что протоны имеют заряд равный единице и энергия электрического отталкивания при взаимодействии с ядром у них в два раза меньше.

Впервые ускоренный протон использовали для взаимодействия с ядром лития  , при этом ядро разбивалось на две α-частицы (два ядра гелия).

Данная реакция имела большой энергетический выход, около  . Ещё больше энергии выделилось при реакции, в которой разогнанный ускорителем дейтрон попал в ядро лития   и также разбил его на два ядра гелия.

Характерной особенностью ядерных реакций является выполнение законов сохранения. То есть сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции. Также выполняется закон сохранения массового числа. Однако масса ядер, которые вошли в реакцию, не равны массе ядер, которые вышли из реакции. 

Энергетический выход реакции равен:

На примере предыдущей реакции:

Эта энергия распределяется между двумя α-частицами.

Каждая такая частица приобретает энергию, следовательно, приобретает скорость. Если вычислить по формулам теории относительности изменение массы этих α-частиц, то, с большой степенью точности, получим закон сохранения масс, учитывая релятивистские эффекты. То есть массу   «уносят» с собой α-частицы.

Третьим этапом исследования ядерных реакций были реакции на нейтронах. Нейтрон является нейтральной частицей, поэтому он не испытывает электрического отталкивания ядра. Следовательно, реакции на нейтронах практически не требуют энергетических затрат (необходимо ждать, пока ядро захватит нейтрон при подходе последнего на расстояние  ).

Одна из первых таких реакций была реакция захвата нейтрона ядром алюминия, в итоге оно распадается и образуется ядро натрия, при этом вылетает α-частица.

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы мощностью 57 мегатонн

Термоядерная реакция (см. Рис. 2) – реакция синтеза лёгких ядер. Синтез лёгких ядер может происходить только при высоких температурах, так как эти ядра должны разогнаться до энергии, при которой могут сблизиться на расстояние, равное радиусу ядра ( ). Эта энергия должна быть порядка десятков МэВ.

Например, дейтрон может провести вместе с тритием реакцию синтеза. При этом получается гелий   (очень устойчивое ядро) и выбрасывается нейтрон. Энергетический выход этой реакции равен  .

Если вступает в реакцию 1 моль дейтерия (2 г) и 1 моль трития (3тг), то произойдёт   (число Авогадро) таких реакций. Следовательно, общий выход энергии будет равен:

Чтобы получить такую энергию при сжигании керосина, необходимо   топлива.

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Ядра урана, особенно ядра изотопа , наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Процессы в ядерном реакторе схематически изображены на рисунке:

Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов. Основные элементы ядерного реактора. На рисунке приведена схема энергетической установки с ядерным реактором.

Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее ( , и др.), замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ- лучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем. 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.

Критическая масса

Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой еще может протекать цепная ядерная реакция. При малых размерах слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора (объем, в котором располагаются стержни с ураном). С увеличением размеров системы число ядер, участвующих в делении, растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности. Поэтому, увеличивая размеры системы, можно достичь значения коэффициента размножения k ≈ 1. Система будет иметь критические размеры, если число нейтронов, потерянных вследствие захвата и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления. Критические размеры и соответственно критическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора. Для чистого (без замедлителя) урана , имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран очень тяжелое вещество). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k 1, а при полностью вдвинутых стержнях k

Реакторы на быстрых нейтронах

Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами, мала, то такие реакторы не могут работать на естественном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа . Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.

Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал. Строятся реакторы с коэффициентом воспроизводства до 1,5. Это значит, что в реакторе при делении 1 кг изотопа получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах коэффициент воспроизводства 0,6—0,7.

Первые ядерные реакторы

Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллективом ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г. В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял наш замечательный ученый Игорь Васильевич Курчатов. В настоящее время созданы различные типы реакторов, отличающихся друг от друга как по мощности, так и по своему назначению. В ядерных реакторах, кроме ядерного горючего, имеются замедлитель нейтронов и управляющие стержни. Выделяемая энергия отводится теплоносителем.

1. Самостоятельная работа по закреплению умений и навыков – 10 мин.

необходимо ответить на два вопроса:

1. Что человечество может предпринять, чтобы понизить свои энергозатраты?

2. Поможет ли это снять «риск» с работы атомных электростанций?

1. Подведение итогов – 3 мин.

Показ значимости изучаемой темы, заинтересованности обучающихся при ее исследовании, уровня освоенности и выставление оценок.

1. Домашнее задание – 2 мин.

Подготовить сообщение.

Список использованной литературы и источников:

1. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 11 классов общеобразоват. Учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – 16-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 381 с.

2. https://interneturok.ru/

3. https://www.youtube.com/watch?v=XG4Ks7RAY6A

4. https://www.youtube.com/watch?v=87tqW1fSezk

5. https://www.youtube.com/watch?v=TztAOjm69m4&t=3s