АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 10/59

Тема. Ядерная энергетика

Цель урока: ознакомить учащихся с новым видом ядерной реакции, что позволяет получить большое количество ядерной энергии.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Цепные реакции деления

Атомные ядра, содержащие значительное количество нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. в 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деления ядра Урана 23592U под действием медленных нейтронов. Использования нейтронов для деления ядер обусловлено их електронейтральністю. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает неустойчивую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра (обозначим 23692U* ), являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферії. их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа 23692U*, то есть до его деления на ядра меньшей массы, называемые осколками деления. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135-145, а мелкие - от 90 до 100. В результате реакции деления ядра Урана 23592U образуются два или три нейтроны. Одна из возможных реакций деления ядра Урана происходит по схеме:

Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов:

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две примерно равные части, называемые осколками деления.

Поскольку масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении, то через это происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя.

Энергия, выделяемая во время деления ядра, имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Значительная кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. В случае полного деления всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

Каждый из нейтронов, вылетающий из ядра во время деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, что также выпускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число ядер, которые делятся, очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.

Ø Реакция, в которой количество ядер, которые делятся, увеличивается со временем или остается постоянной, называется цепной ядерной реакцией.

Суть этой реакции заключается в том, что выпущенные во время деления одного ядра N нейтроны могут предопределять деления N ядер, в результате чего будет выпущено N2 новых нейтронов, которые вызовут деление N2 ядер, и др. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии.

В целом процесс имеет лавинообразный характер, происходит достаточно быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.

2. Управляемая цепная ядерная реакция

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов k - отношение числа нейтронов на определенном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе.

· Если k > 1, то количество нейтронов увеличивается со временем или остается постоянной и цепная реакция происходит.

· Если k 1, то число нейтронов уменьшается и цепная реакция невозможна.

· При k = 1 реакция протекает стационарно: количество нейтронов сохраняется неизменной. Это равенство необходимо поддерживать с высокой точностью. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема уранового среды. Чем больше этот объем, тем больше число нейтронов выделяется во время деления ядер. Начиная с некоторого минимального критического объема урана, что имеет определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самопідтримувальною.

3. Ядерный реактор

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферме.

Ø Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.

Основными элементами ядерного реактора являются:

· ядерное топливо (уран 235, уран 238, плутоний 239);

· замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит и др.);

· теплоноситель для вывода энергии, образующейся во время работы реактора:

ü вода;

ü жидкий натрий и др.;

· регулировочные стержни (бор, кадмий), которые сильно поглощают нейтроны;

· защитная оболочка, что задерживает излучение (бетон с железным наполнителем).

Ядерное топливо размещается в активной зоне в виде вертикальных стержней, названных тепловыделяющими элементами (TBEЛ). Твэлы предназначены для регулирования мощности реактора. Масса каждого топливного стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержни цепная реакция происходить не может. Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней.

Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, что задерживает нейтроны и другие частицы.

Отвод тепла от топливных элементов осуществляет теплоноситель - вода. Она омывает стержень, нагретый до 300 °С за высокого давления, поступает в теплообменники. В теплообменнике вода, нагретая до 300 °С , отдает тепло обычной воде, которая в свою очередь превращается в пар.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержней k>l, а при полностью введенных - k 1. Вводя стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

4. Реактор на медленных и быстрых нейтронах

Наиболее эффективное деление ядер Урана-235 происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их дальнейшая взаимодействие с ядрами Урана-235 в цепной реакции была наиболее эффективной, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель - вещество, что уменьшает кинетическую энергию нейтронов.

Реакторы на быстрых нейтронах не могут работать на природном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15 % изотопа Урана. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать как ядерное топливо.

5. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Ø Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), что превращает тепловую ядерную энергию в электрическую.

Преобразование энергии происходит по такой схеме: внутренняя энергия ядер Урана - кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер - внутренняя энергия воды - внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора - электрическая энергия.

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и розмножувачі, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, на атомных теплоэлектроцентралях, а также на атомных станциях теплоснабжения.

Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или розмножувачами. В реакторе-конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше от первоначально использованного. В реакторе-розмножувачі осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получают больше, чем было потрачено.

Исследовательские реакторы используют для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма - излучений, радиохимических в биологических исследований, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Почему во время реакций деления тяжелых ядер выделяется энергия?

2. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными участками для бомбардировки атомных ядер?

3. Зачем в ядерном реакторе используют замедлители нейтронов?

4. Зачем в ядерном реакторе используют поглотители нейтронов?

5. Для чего в атомном реакторе необходимые поглотители нейтронов?

6. Как осуществляют управления ядерной реакцией в реакторах?

7. Какую роль выполняют графит и вода в ядерных реакторах?

Второй уровень

1. В чем главное отличие ядерных реакций на нейтронах от ядерных реакций, обусловленных заряженными частицами?

2. Сгорает кусок бумаги. Есть горение цепной реакцией? химической или ядерной?

3. Какие преимущества атомных электростанций по сравнению с тепловыми?

4. Какие проблемы могут возникнуть в случае использования атомных электростанций?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему природный уран не является атомным топливом и его хранения не связано с опасностью взрыва?

Решение

Ядра 23892U, обычно поглощают нейтроны, что является результатом спонтанного деления ядер Урана, при этом цепная реакция не происходит. Столкновения же их с ядрами 23592U происходят очень редко из-за низкого содержание (0,7 %) последнего в урановой руде.

2. Один-единственный нейтрон может вызвать в куске урана цепную реакцию с выделением огромного количества энергии. Как может в этом куске появиться нейтрон? Откуда?

Решение

Нейтрон может появиться за счет спонтанного деления ядра Урана; при этом каждый распределение дает 2-3 свободных нейтронов.

2). Учимся решать задачи

1. В урановом реакторе изотоп Нептуния с массовым числом 239 испускает электроны. Напишите уравнение ядерной реакции.

2. Найдите КПД атомной электростанции мощностью 500 МВт, если ежесуточно она тратит 2,35 кг урана-235. Считайте, что во время каждого деления ядра Урана выделяется энергия 200 Мэв.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две примерно равные части, которые называются осколками деления.

· Реакция, в которой количество ядер, которые делятся, увеличивается со временем или остается постоянной, называется цепной ядерной реакцией.

· Коэффициент размножения нейтронов k - отношение числа нейтронов на определенном этапе цепной реакции к их числу на предыдущем этапе.

· Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.

· Основные элементы ядерного реактора:

ü ядерное топливо;

ü замедлитель нейтронов;

ü теплоноситель;

ü устройство для регулирования скорости реакции;

ü защитная оболочка, что задерживает излучение.

Домашнее задание

1. Подр.: § 32.

2. 3б.:

Рів2 № 17.16; 17.17; 17.18; 17.19.

Рів3 № 17.72; 17.93; 17.94; 17.95.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 14.