СДЕЛАЙТЕ СВОИ УРОКИ ЕЩЁ ЭФФЕКТИВНЕЕ, А ЖИЗНЬ СВОБОДНЕЕ

Благодаря готовым учебным материалам для работы в классе и дистанционно

Скидки до 50 % на комплекты
только до 10.06.2025

Готовые ключевые этапы урока всегда будут у вас под рукой

Организационный момент

Проверка знаний

Объяснение материала

Закрепление изученного

Итоги урока

Урок № 6 Ядерный реактор

Категория: Физика

Нажмите, чтобы узнать подробности

Просмотр содержимого документа
«Урок № 6 Ядерный реактор»

11 класс Урок № 6

Тема: Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Термоядерные реакции

Цель урока: повторить механизм деления ядер урана. Изучить условия протекания цепной ядерной реакции. Рассмотреть устройство и принцип действия ядерного реактора. Рассмотреть возможность использования реакции деления ядер тяжелых элементов для получения энергии и использование этой энергии в мирных и военных целях.



1. Организационный момент

Сделать конспект урока


2. Новый материал


Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

  1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;

  2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10–15 м;

  3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массыΔm = (Zmp + Nmn) – М.

Энергия связи атомного ядра Есв равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Есв = Δmс2.

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10–27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция   , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид: 

 

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3  и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).


Принцип работы атомной электростанции. Ядерный реактор. Получение ядерной энергии на АЭС.


Атомные электростанции представляют собой по сути дела тепловые электро­станции, на которых для получения пара или горячего газа используется энергия, в ядерном реакторе в результате ядерной цепной реакции.

Вещество, используемое в реакторах для осуществления цепной реакции, называется топливом. Единственное природное ядерное топливо — уран; он представ­ляет собой смесь двух изотопов: U-238 (99,3%) и U-235 (0,7%).

Изотоп U-238 (уран-238) может погло­щать быстрые нейтроны (их скорость ~ 107 м/с, энергия 1 МэВ) и после це­почки -распадов превращается в Рu-239 (плутоний-239).

Изотоп U-235 (уран-235) активно по­глощает медленные нейтроны (их ско­рость ~2 • 103 м/с, энергия 0,025 эВ) и делится на большие осколки (например, на ядра стронция Sr-94 и ядра ксенона Хе-140) и два-три вторичных нейтрона, способных вызвать новые реакции деления: возникает цепная реакция. Таким образом, изотоп уран-235 -основное горючее. Однако ввиду низкого содержания этого изотопа в природном уране последний необхо­димо обогащать, д оводя его содержание до 2-5%.


Принцип работы атомной электростан­ции. (Демонстрируется модель АЭС Учебное электронное издание Физика 7-11 практикум)


Схема превращения внутриядерной энергии в электрическую на АЭС показана на рис. 1.

Рис. 1.


Схема атомной электростанции

Главную часть АЭС составляет ядер­ный реактор 1 (например, уран-графи­товый водяного типа), в котором ядер­ным горючим служит обогащенный уран, замедлителем нейтронов — графит, а теплоносителем — вода.

Основные части ядерного реактора любого типа — активная зона А, где на­ходится ядерное топливо, протекает уп­равляемая цепная реакция ядерного де­ления и выделяется тепловая энергия; отражатель нейтронов Б, окружающий активную зону; оболочка В биологической защиты от нейтронного и -излучения, обычно выполненная из бетона с желез­ным наполнителем.

Ядерное топливо в реакторе размеще­но в тепловыделяющих элементах (ТВЭлах) 2, представляющих собой, как пра­вило, металлические или карбидные пе­налы (карбиды-соединения углерода с металлами, а также с кремнием и бором), содержащие уран-235.

В состав реактора входят также блоки замедлителя 3 из графита и регулирую­щие стержни 4 из бора или кадмия, силь­но поглощающие нейтроны. Введение этих стержней в активную зону реакто­ра подавляет цепную реакцию, а выве­дение, наоборот, активизирует.

В активной зоне реактора находится система труб, по которым прокачивают теплоноситель (воду) 5, поглощающий энергию, выделяемую при ядерной ре­акции. Вода, находящаяся под давлени­ем 100 атм, нагревается до 270 °С и по­ступает в парогенератор 6, где отдает большую часть своей внутренней энер­гии воде второго контура 7 и с помощью насоса 8-1 вновь поступает в активную зону реактора. Вода 7 второго контура в парогенераторе превращается в пар 9, который поступает в паровую турбину 10, приводящую в действие электрогенера­тор 11.

Через трансформаторы, распредели­тельные устройства и линии электропе­редачи 12 в ыработанная электрическая энергия поступает к потребителю.

Прошедший через турбину пар 13 по­ступает в конденсатор 14, где охлаждает­ся и превращается в воду 7, которая на­сосом 8-2 подается в парогенератор 6. Охлаждение пара в конденсаторе проис­ходит холодной водой 15 третьего конту­ра, которая через заборное устройство 16 поступает из водоема 17. Пройдя змее­вик конденсатора, вода третьего конту­ра либо сбрасывается через трубу 18 в водоем 17, либо частично возвращается в систему охлаждения, пройдя через гра­дирни (устройства для охлаждения воды атмосферным воздухом). Пейзаж с боль­шими «кувшинами» - градирнями харак­терен для многих АЭС так же, как и ТЭС или ТЭЦ.


3. Домашняя работа


Прочитать материал. Сделать конспект.


Скачать

Рекомендуем курсы ПК и ППК для учителей

Вебинар для учителей

Свидетельство об участии БЕСПЛАТНО!