Cайт "Ядерная физика"

Проект «Ядерная физика»

Работа выполнена в программе «Конструктор школьных сайтов»

Автор: Никитин Александр, ученик 9 класса

Школа: МКОУ ООШ п. Пудожгорский

Данный проект выполнен в начале обучения в 9-ом классе с целью опережения знаний, получаемых при изучении школьного курса физики, т. к. тема «Радиоактивность» изучается в конце 9 класса (в IV четверти), а также в 11 классе. Работа выполнена в рамках участия в республиканской проектно-практической конференции учащихся «Заяви о себе».

Сайт может быть использован учителями физики при проведении уроков по данной теме, обобщении материала темы, а также обучающимися 9, 11 классов для самостоятельной работы.

Руководитель: Ошутинская Наталья Борисовна

Просмотр сайта начать с файла index.html.

Преимущества и недостатки

атомных электростанций по сравнению с другими:

Атомная энергетика

Проблема современности

Энергетическая проблема – одна из важнейших проблем, которые приходится сегодня решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления выдвинул новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества.

Мировые энергетические потребности в ближайшее десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы.

На ближайшем этапе развития энергетики наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на нейтронах.

Первые ядерные реакторы

• 1942 г. – в США под руководством Энрико Ферми был построен первый ЯР.
• 1946 г. – в СССР под руководством Игоря Васильевича Курчатова построен первый европейский ЯР.
• 1954 г. – в г. Обнинске была введена в действие первая АЭС мощностью 5000 кВт. Энергия, выделяющаяся в ЯР, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем связанную с генератором турбину.
• По такому же принципу действуют введенные в эксплуатацию Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС. Реакторы этих станций имеют мощность 500-1000 МВт.

Проблемы АЭС

АЭС проектируется с расчетом на максимальную безопасность персонала станций и населения. Опыт эксплуатации АЭС во всем мире показывает, что атмосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия предприятий ядерной энергетики в нормальном режиме эксплуатации. Однако взрыв на четвертом реакторе Чернобыльской АЭС показал, что риск разрушения активной зоны реактора из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакторов остается реальностью, поэтому принимаются строжайшие меры для снижения этого риска. Атомные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах.

Преимущества АЭС

• Для работы АЭС требуется очень небольшое количество топлива, а следовательно, АЭС дешевле в эксплуатации, чем ТЭС.
• Не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт
• Экологическая чистота (при правильной эксплуатации) по сравнению с ТЭС (не засоряют среду золой и продуктами сгорания).
• Не требуется огромных территорий для строительства.

Основные проблемы АЭС

• Содействие распространению ядерного оружия.
• Радиоактивные отходы.
• Сложности при демонтаже отслуживших свой срок АЭС. Срок их службы около 20 лет, после чего восстановление станций из-за многолетнего воздействия радиации на материалы конструкций невозможно.
• Возможность аварий.

Строительство атомных электростанций поставило перед человечеством новую проблему: где хранить отработанное ядерное топливо? Есть опасение, что Россия может стать ядерной свалкой.

Воздействие АЭС на окружающую среду

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации АЭС многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Наиболее существенные факторы:

• локальное механическое воздействие на рельеф – при строительстве; сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты; изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС; изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.
• локальное механическое воздействие на рельеф – при строительстве;
• сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты;
• изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;
• изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Обезвреживание радиоактивных отходов сводится в основном к трем задачам:

• Совершенствование технологий с целью уменьшения образования отходов при работе реакторов.
• Переработка топлива для их консолидации (связывания, скрепления) и уменьшения опасности от распространения в окружающей среде.
• Надежная изоляция отходов от биосферы и человека за счет создания могильников разных типов, предусмотрены установки для отверждения жидких отходов, производится остеклование отходов, производится очистка газообразных отходов).

Решение проблем

• За нераспространением ядерного оружия и безопасностью АЭС, безопасным применением ядерной энергии следит МАГАТЭ – Международное агентство по атомной энергии при ООН (создано в 1957 г.).
• Агентство разрабатывает стандарты безопасности (выбор места размещения, проектирование АЭС, их эксплуатация), консультирование стран – членов МАГАТЭ (на случай аварии, по вопросам безопасности и др.), анализирует произошедшие на АЭС аварии и выдает рекомендации по их профилактике.

Экспериментальные методы исследования частиц

№

1.

Название метода

2.

Принцип действия

Преимущества и недостатки

3.

4.

В местах попадания α -частиц в стеклянный экран, покрытый тонким слоем спец. вещества, возникают вспышки, которые наблюдаются с помощью микроскопа

Метод сцинтилляций

Не дает необходимой точности, т. к. результат подсчета вспышек в большей степени зависит от остроты зрения наблюдателя

Фиксирует только факт пролета частицы

Действие основано на ударной ионизации газа

Счетчик Гейгера

Камера Вильсона (используется пересыщенный пар)

По трекам, их искривлению в магнитном поле можно судить о знаке заряда, массе, энергии, заряде

Фиксируется траектория полета заряженной частицы, вдоль которой возникают ионы, на которых конденсируется пар и появляются капельки жидкости (виден трек)

Пузырьковая камера (используется перегретая выше точки кипения жидкость), разновидность к. В.

Фиксирует траекторию движения частицы, вдоль которой образуются пузырьки при закипании жидкости

Обладает б ó льшим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона

Термоядерные реакции

Поиск источников энергии

Довольно легко сделать следующие расчёты. Если бы Солнце состояло из какого-нибудь топлива (например, угля), то оно уже давно иссякло.

Изучение ядерных реакций позволяет сделать вывод, что энергия может не только выделяться из глубин вещества при делении тяжелых ядер.

Есть другой (противоположный) путь – если соединить друг с другом ядра очень лёгких атомов, то они, образуя более тяжёлое ядро, высвободят энергию.

Такие реакции объединения лёгких элементов и получили название термоядерных реакций или реакций термоядерного синтеза .

Термоядерная реакция – это реакция слияния (синтез) лёгких ядер, происходящая при температурах порядка сотен миллионов градусов.

Термоядерная реакция – это реакция слияния (синтез) лёгких ядер, происходящая при температурах порядка сотен миллионов градусов.

– первая ТР (реализована в термоядерной бомбе)

– первая ТР (реализована в термоядерной бомбе)

Чтобы такая реакция пошла, необходимо возникновение мощных ядерных сил, а для этого лёгким положительно заряженным ядрам важно подойти друг к другу на очень близкое расстояние (0,000000000001 см). Однако этому препятствуют кулоновские силы. (Если сблизить два положительных заряда, то по закону электрического взаимодействия, чем они ближе, тем сильнее должны отталкиваться). Как быть? Кулоновские силы отталкивания могут быть преодолены при наличии у ядер большой кинетической энергии. А это возможно лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов).

На Солнце и звёздах природа справилась с этой задачей. Давление и температура внутри них настолько велики, что ядра лёгких элементов часто и с большой силой сталкиваются друг с другом.

В таких условиях и создаются возможности для слияния ядер, что ведёт к выделению огромной энергии.

Эту энергию мы и получаем на земле от Солнца в виде излучения. От далеких звёзд такое излучение приходит, заметно ослабев.

Проблемы ТР

Для того, чтобы научиться использовать в мирных целях то огромное количество энергии, которое выделяется в результате ТР, необходимо научиться проводить управляемые ТР.

Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций.

Эта идея и привела к созданию термоядерных реакторов - токамаков.

ТОКАМАК  (тороидальная магнитная камера с током)

это электрофизическое устройство, основное назначение которого – формирование плазмы, что возможно при температурах около 100 млн. градусов, и сохранение её достаточно долгое время в заданном объеме. Возможность получения плазмы при сверхвысоких температурах позволяет осуществить термоядерную реакцию синтеза ядер гелия из исходного сырья, изотопов водорода (дейтерия и трития). В ходе реакции должна выделяться энергия, которая будет существенно больше, чем энергия, затрачиваемая на формирование плазмы. При большой плотности вещества требуемая высокая температура в сотни млн. градусов может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму. 

Современные установки токамак – не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы.

Наиболее мощный современный ТОКАМАК, служащий только лишь для исследовательских целей, находится в городе Абингдон недалеко от Оксфорда. Высотой в 10 метров, он вырабатывает плазму и сохраняет ей жизнь пока всего лишь около 1 секунды.

Энергетический кризис стал реальной угрозой для человечества. В связи с этим ученые предложили добывать изотоп тяжелого водорода - дейтерий - из морской воды и подвергать реакции ядерного расплава при температурах около 100 миллионов градусов Цельсия. При ядерном расплаве дейтерий, полученный из одного килограмма морской воды будет способен произвести столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 300 литров бензина.

ТР важны для Вселенной. Ведь именно благодаря им выделяется энергия, которая дает жизнь всем обитателям Земли.

Особенно большое практическое значение имеет то, что управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция, так как при ее протекании на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ.

В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.