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:
-
зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
-
короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10–15 м;
-
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 массы: Δm = (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.