Цепная ядерная реакция

Дата______ Класс: 9 Учитель: Тиклюк О.В. Предмет: Физика

Тема урока: «Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Применение ядерной энергетики. Ядерное оружие»

Тип урока: комбинированный

Базовый учебник: «Физика 9класс», Р.Башарулы, Д.Казахбаева, У.Токбергенова, Н.Бекбасар-Алматы «Мектеп 2013г.»

Цель урока: формировать представление о реакторе как об устройстве, в котором идет управляемая реакция деления ядер; горючее, замедлители, управляющие стержни, теплоноситель – составляющие элементы реактора.

Задачи урока:

1.Образовательная: 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.

2.Воспитательная: привитие бережного отношения к природным богатствам, экологическое воспитание.

3.Развивающая: развитие коммуникативных качеств, критического мышления, познавательной активности учащихся.

Дополнительный материал: экологические проблемы ядерной энергетики, причины аварии на ЧАЭС.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор

Демонстрации: реакции деления тяжёлых ядер, цепная ядерная реакция, принцип действия ядерного реактора, принцип действия атомной бомбы, атомный взрыв.

Ход урока

1. Организационный момент : приветствие учащихся, настрой на дальнейшую работу.

2. Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса

1) Почему оказалось возможным осуществить реакцию деления урана?

2) Каков механизм деления ядра?

3) Какая реакция деления получила название цепной реакцией?

4) Каков коэффициент размножения нейтронов?

5) Как образуется плутоний?

6) Задача. QUOTE  

7) Задача. QUOTE  

3. Изучение нового материала

Резерфорд доказал, что атом представляет собой сложную систему, в центре которой находится положительное ядро, вокруг которого двигаются электроны. Физика переживала вторую молодость: была создана квантовая механика, появились атомная и ядерная физика.

Оказалось, что:

1. Место элемента в таблице определяется не атомным весом, а зарядом ядра.

2. Такой микрообъект, как ядро, состоит из более мелких частиц – протонов и нейтронов. Почему протоны и нейтроны назвали, одним словом нуклоны?

3. В каждой клетке таблицы Менделеева располагается несколько « атомов-близнецов». Как они называются? (Изотопы.) . Чем различаются изотопы одного и того же химического элемента друг от друга? (Количеством нейтронов и радиоактивностью).

Область возможных ядер образует материк, вдоль которого тянется хребет – стабильных изотопов ( 300, которые живут вечно ), окруженных обширными долинами радиоактивных изотопов. Материк стабильности окружает море Нестабильности. Через пролив Радиоактивности располагается остров Тяжелых ядер. Какое явление называется радиоактивностью? Ядро урана самое тяжелое ядро из найденных в природе, в течение 70 лет оставалось последним в таблице Менделеева. Но в 1898 году Мария и Пьер Кюри выделили из урановой смолки радий и полоний. А.О. Ган и Ф.Штрасман открыли процесс деления ядер урана нейтронами. Этот процесс сопровождается выделением энергии. Что называется энергетическим выходом ядерной реакции? Оказалось , что при делении одного ядра урана на два осколка освобождается 2 или 3 нейтрона. Почему? При благоприятных условиях освобождающиеся в первой реакции нейтроны могут попасть в другие ядра и вызвать их деление. Какая реакция называется цепной ядерной реакцией?

При каких условиях протекает цепная ядерная реакция?( k = 1) .

Как вы думаете, а на практике легко ли можно провести управляемую ядерную реакцию? Поэтому тема нашего сегодняшнего урока носит название «Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Применение ядерной энергетики» .(Слайд 1)

По плакату рассказать, как происходит цепная реакция на тепловых нейтронах. (Слайд2)( Смотреть видео ролик.)

Существует два типа ядерных реакторов.(Слайд3)

Ядерный реактор.

Реактор на медленных нейтронах.

Прочитайте в учебнике, из каких основных элементов состоит ядерный реактор.

Элементы ядерного реактора.(Слайд4)

1) Ядерное горючее: QUOTE  

2) Замедлители нейтронов: тяжелая или обычная вода, графит…

3) Теплоноситель для вывода энергии: вода, жидкий натрий…

4) Стержни для регулирования скорости реакции: стержни содержащие кадмий или бор для поглощения нейтронов.

5) Защитная оболочка снаружи реактора: для задержания γ – излучения и нейтронов оболочку делают из бетона с железным наполнителем.

Критическая масса.(Слайд5)

Наименьшая масса ядерного горючего, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называют критической массой.

Критическая масса для QUOTE   равна 50 кг – это шар R=9 cм (уран самое тяжелое вещество); если использовать замедлители и отражатели, то критическая масса становится равной 250 грамм.

Реакторы на быстрых нейтронах.

Это — реакторы, работающие без замедлителей нейтронов. Горючее для таких реакторов представляет смесь, содержащая 15% остальное естественный уран.

Реакторы такого типа называют реакторами – размножителями, так как они воспроизводят ядерное горючее. Коэффициент воспроизводства равен 1,5; т.е. при делении 1кг изотопа получают 1,5 кг плутония.

Первые ядерные реакторы. (Слайд6)

В 1942 году в США коллективом ученых под руководством Э. Ферми была осуществлена первая цепная реакция деления урана.

В 1946 году первый ядерный реактор был запущен в СССР, коллективом физиков под руководством И. В. Курчатова.

Развитие ядерной энергетики.

В1954 году было осуществлено превращение ядерной энергии в энергию электрическую, т.е. построена первая атомная электростанция мощностью 5000 кВт в городе Обнинске. Энергия, выделяющаяся в реакторе, шла на превращение воды в пар, который вращал турбину и связанный с ней генератор, который вырабатывал электрический ток.

Объяснить по плакату как происходит превращение ядерной энергии в энергию электрическую.

Выступление ученика с рефератом.(Показ презентации)
Чернобыльская трагедия.

В ночь с 25 на 26 апреля 1986 года в реакторе четвертого блока Чернобыльской АЭС пошла неуправляемая реакция деления. Реактор – пошел в разгон. Грянул взрыв. Он порвал, словно нитки, 2000 стальных и циркониевых труб, соединяющих активную зону с верхним перекрытием реактора и «выстрелил» в звездное небо полутора тысячетонной плитой. Брызнувшие в разные стороны обломки урановых стержней, труб и куски графита вспыхнули бенгальскими огнями. Освободилось пространство для гамма излучения и потока нейтронов. Утром 26 апреля в Киеве и Минске разом сошли с ума счетчики радиоактивности. 28 апреля 1986 года шведская метереостанция зарегистрировала повышение уровня радиоактивности вдвое по сравнению с нормальной. В небольших по площади районах к северу Стокгольма, где прошли дожди, доза была в 100 раз выше нормы. Реактор продолжал гореть до 10 мая. Суммарный выброс жидких радиоактивных отходов составил приблизительно 63кг. При взрыве бомбы на Хиросиму было выброшено 740г страшных радиоактивных отходов. Выброс радиоактивных веществ из реактора 4 блока Чернобыльской АЭС эквивалентен количеству отходов, образовавшихся при взрыве 90 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму. После аварии на АЭС в мире резко увеличилось число расторгаемых контрактов на строительство АЭС. Сумеем ли мы предотвратить катастрофу, зависит от нас, от нашей способности смотреть правде в глаза и принимать энергичные решения.

В наше время АЭС строятся в районах с плотным проживанием населения, так как они имеют преимущества перед другими видами электростанций.

1) Не потребляют органическое топливо.

2) Не загружают для перевозок железнодорожный транспорт.

3) Не потребляют атмосферный кислород.

4) Не загрязняют окружающую среду золой и продуктами сгорания.

Однако получение электрической энергии на АЭС имеет и много отрицательных факторов.

1) В реакторах на медленных нейтронах используется всего 1 – 2% ядерного горючего. Отходы надо утилизировать, а с этим пока большие проблемы.

2) Небольшой срок службы реакторов – 20 лет. Демонтаж АЭС создает сложные проблемы, так как все конструкционные материалы подвергались многолетнему воздействию радиации работать с ними опасно.

Выбор строить или не строить АЭС за людьми, которые должны знать все положительные и отрицательные стороны таких электростанций.

Ядерное оружие. Выступление уч-ся о ядерном оружии (Просмотр презентации)

Ядерное оружие

Ядерным оружием называют боеприпасы, действие которых основано на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при ядерных реакциях деления или синтеза. Центром ядерного взрыва называют точку, в которой происходит вспышка или находится центр огненного шара, а эпицентром - проекцию центра взрыва на земную или водную поверхность.

1. Виды ядерных зарядов

Атомные заряды

Действие атомного оружия основывается на реакции деления тяжелых ядер (уран-235, плутоний-239 и т.д.). Цепная реакция деления развивается не в любом количестве делящегося вещества, а лишь только в определенной для каждого вещества массе. Наименьшее количество делящегося вещества, в котором возможна саморазвивающаяся цепная ядерная реакция, называют критической массой. Уменьшение критической массы будет наблюдаться при увеличении плотности вещества. Делящееся вещество в атомном заряде находится в подкритическом состоянии. По принципу его перевода в надкритическое состояние атомные заряды делятся на пушечные и имплозивного типа. В зарядах пушечного типа две и более частей делящегося вещества, масса каждой из которых меньше критической, быстро соединяются друг с другом в надкритическую массу в результате взрыва обычного взрывчатого вещества (выстреливания одной части в другую). При создании зарядов по такой схеме трудно обеспечить высокую надкритичность, вследствие чего его коэффициент полезного действия невелик. Достоинством схемы пушечного типа является возможность создания зарядов малого диаметра и высокой стойкости к действию механических нагрузок, что позволяет использовать их в артиллерийских снарядах и минах. В зарядах имплозивного типа делящееся вещество, имеющее при нормальной плотности массу меньше критической, переводится в надкритическое состояние повышением его плотности в результате обжатия с помощью взрыва обычного взрывчатого вещества. В таких зарядах представляется возможность получить высокую надкритичность и, следовательно, высокий коэффициент полезного использования делящегося вещества.

Термоядерные заряды

Действие термоядерного оружия основывается на реакции синтеза ядер легких элементов. Для возникновения цепной термоядерной реакции необходима очень высокая (порядка нескольких миллионов градусов) температура, которая достигается взрывом обычного атомного заряда. В качестве термоядерного горючего используется обычно дейтрид лития-6 (твердое веще-ство, представляющее собой соединение лития-6 и дейтерия).

Нейтронные заряды

Нейтронный заряд представляет собой особый вид термоядерного заряда малой мощности с повышенным нейтронным излучением. Как известно, при взрыве ядерного боеприпаса ударная волна несет около 50% энергии, а проникающая радиация не более 5%. Предназначение ядерного заряда нейтронного типа заключается в том, чтобы перераспределить соотношение поражающих факторов в пользу проникающей радиации, а точнее, потока нейтронов. По данным иностранной печати, американским специалистам удалось создать подобные снаряды для боеголовок тактических ракет "Лэнс" и 155-миллиметровых артиллерийских систем. При взрыве нейтронного снаряда ударная волна и световое излучение вызывают сплошные разрушения в радиусе 200-300 м. А доза нейтронного излучения, которая возникает на расстоянии 800 м от точки взрыва нейтронной боеголовки ракеты "Лэес", почти сразу лишает человеческий организм жизнеспособности.

"Чистый" заряд.

Чистый заряд - это ядерный заряд, при взрыве которого выход долгоживущих радиоактивных изотопов существенно снижен. Ядерные боеприпасы применяются для снаряжения авиабомб, фугасов, торпед, артиллерийских снарядов. Средствами доставки ядерных боеприпасов могут являться баллистические ракеты, крылатые и зенитные ракеты, авиация.

Мощность ядерных боеприпасов

Ядерное оружие обладает колоссальной мощностью. При делении урана массой порядка килограмма освобождается такое же количество энергии, как при взрыве тротила массой около 20 тысяч тонн. Термоядерные реакции синтеза являются еще более энергоемкими. Мощность взрыва ядерных боеприпасов принято измерять в единицах тротилового эквивалента. Под тротиловым эквивалентом понимается энергетическая характеристика взры-ва ядерного или термоядерного заряда. Иными словами, тротиловый эквивалент - это масса тринитротолуола, которая обеспечила бы взрыв, по мощности эквивалентный взрыву данного ядерного боеприпаса. Обычно он измеряется в килотоннах (кТ) или в мегатоннах (МгТ).

В зависимости от мощности ядерные боеприпасы делят на калибры: сверхмалый (менее 1 кТ);

малый (от 1 до 10 кТ);

средний (от 10 до 100 кТ);

крупный (от 100 кТ до 1 МгТ);

сверхкрупный (свыше 1 МгТ).

Термоядерными зарядами комплектуются боеприпасы сверхкрупного, крупного и среднего калибров; ядерными - сверхмалого, малого и среднего калибров, нейтронными - сверхмалого и малого калибров.

Виды ядерных взрывов

В зависимости от задач, решаемых ядерным оружием, от вида и расположения объектов, по которым планируются ядерные взрывы, а также от характера предстоящих боевых действий ядерные взрывы могут быть осуществлены в воздухе, у поверхности земли (воды) и под землей (водой). В соответствии с этим различают следующие виды ядерных взрывов: воздушный, высотный (в разряженных слоях атмосферы), наземный (надводный), подземный (подводный).

2. Поражающие факторы ядерного взрыва

Ядерный взрыв способен мгновенно уничтожить или вывести из строя незащищенных людей, открыто стоящую технику, сооружения и различные материальные средства. Основными поражающими факторами ядерного взрыва (ПФЯВ) являются:

ударная волна;

световое излучение;

проникающая радиация;

радиоактивное заражение местности;

электромагнитный импульс (ЭМИ).

При ядерном взрыве в атмосфере распределение выделяющейся энергии между ПФЯВ примерно следующее: около 50% на ударную волну, на долю светового излучения 35%, на радиоактивное заражение 10% и 5% на проникающую радиацию и ЭМИ.

Взрыв атомной бомбы – это неуправляемая цепная реакция с огромным коэффициентом размножения нейтронов.

Атомные бомбы бывают урановые (используется чистый QUOTE   ) и плутониевые (ядерное горючее — QUOTE   )

При взрыве резко повышается температура, достигая десятков миллионов кельвин; из-за повышения давления образуется взрывная волна.

Взрыв сопровождается сильным излучением γ- лучей и нейтронов, которые опасны для живых организмов.

Еще более мощный взрыв получают с помощью термоядерной бомбы.

Война с применением ядерного оружия не принесет победы, так как может привести к гибели всю нашу цивилизацию.

4. Закрепление изученного материала.

1) Задача. Из теории ядерных реакций, известно, что при одном делении ядра изотопа урана освобождается 200 MэВ энергии. Какое количество энергии можно получить при делении 1г урана?

Решение. Массовое число изотопа урана А=235. Число атомов в 1г урана: n= QUOTE   ;

n= QUOTE   ≈ 25,6∙1020; E= 200∙25,6∙1020= 5,1∙10²³ MэВ ≈ 2,3∙104кВт∙ч.

5.Рефлексия учебной деятельности на уроке:

1. Подведем итоги урока

2. Учитель предлагает уч-ся продолжить предложение:

Я узнал…

Теперь я могу…

Я затруднялся…

Мне понравилось…

1. Домашнее задание: (учитель дает пояснение к выполнению домашней работы) § 110, 112, №1226.