ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 1980
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2. Навчаємося розв'язувати задачі
Урок 7/54
Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
до його поділу на ядра меншої маси, що називаються уламками поділу. Причому найбільш імовірним виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3. Більшість великих уламків мають масове число А в межах 135—145, а дрібні від 90 до 100. У результаті реакції поділу ядра Урану
утворюються два чи
три нейтрони. Одна з можливих реакцій поділу ядра урану протікає за схемою:
Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:
^ Поділом ядра називається ядерна реакція розподілу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, що називаються уламками поділу. Енергія, що виділяється під час поділу ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування. За повного поділу всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти.
2. Ланцюгова ядерна реакція
Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра в процесі поділу, може, у свою чергу, спричинити поділ сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні призвести до подальшого поділу. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.
^ Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції. Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час поділу одного ядра N нейтронів можуть спричинити поділ N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, що зумовлюють поділ N2ядер, тощо. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії. У цілому процес
КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас»
має лавиноподібний характер, протікає дуже швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.
Для здійснення ланцюгової реакції не можна використовувати будь-які ядра, що діляться під впливом нейтронів. Через низку причин з ядер, що зустрічаються в природі, придатні до цього лише ядра ізотопів Урану з масовим числом 235, тобто
3. Ядерний реактор
Ланцюгову ядерну реакцію вчені й інженери змогли зробити керованою: для цього необхідно було забезпечити, щоб кількість ядер, що діляться, в одиницю часу залишалася постійною. Уперше керована ланцюгова реакція поділу ядер урану була здійснена 1942 р. у США під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі. ^ Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер.
Як було встановлено дослідним шляхом, для виконання ланцюгової керованої реакції найбільш ефективними є повільні нейтрони, кінетична енергія яких у десятки разів менше, ніж енергія нейтронів, що вилітають під час поділу ядер. Тому виникає потреба
Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
в уповільнювачі нейтронів. Кращим сповільнювачем є важка вода. Звичайна вода сама захоплює нейтрони і перетворюється на важку воду. Гарним уповільнювачем вважається також графіт, ядра якого не поглинають нейтрони.
Щоб кількість ядер урану, що діляться в одиницю часу, залишалася постійною, необхідно, щоб залишалося постійним і число повільних нейтронів. Якщо їхня кількість почне збільшуватися, це загрожує атомним вибухом, а якщо почне зменшуватися — реакція «згасне».
Щоб забезпечити сталість числа нейтронів, використовують поглиначі нейтронів — речовини, ядра яких ефективно поглинають нейтрони. Гарними поглиначами нейтронів є кадмій і бор. З них виготовляють регулюючі стрижні, що вводяться в робочий простір ядерного реактора: змінюючи глибину занурення цих стрижнів, можна змінювати число ядер урану, які діляться щомиті.
Щоб у зразку урану могла відбуватися ланцюгова ядерна реакція, його маса повинна бути досить великою. Це необхідно для того, щоб нейтрони, що випускаються під час поділу ядер, не вилітали відразу ж за межі зразка, а спричиняли нові реакції поділу. ^ Найменшу масу речовини, що ділиться і за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою. Для кулястого зразка чистого урану
критична маса дорівнює приблизно 50 кг. Однак її можна зменшити в десятки разів, використовуючи уповільнювачі нейтронів і оточуючи зразок берилієвою оболонкою — вона відбиває нейтрони, що вилітають, у зону реакції, збільшуючи їхній шлях у зразку.
На рисунку схематично зображена схема будови атомної електростанції (АЕС) з ядерним реактором на повільних нейтронах.
Ядерне паливо розташовується в активній зоні (1) у вигляді вертикальних стрижнів, що називаються тепловидільними елементами (ТВЕЛ). Активна зона оточена відбивачем (2) і товстою захисною оболонкою із залізобетону (3).Реактором керують за допомогою регулюючих стрижнів (4), виготовлених з поглинача нейтронів.Тепло з гарячої активної зони реактора виводиться теплоносієм (наприклад, водою). Теплоносій першого контуру передає тепло в парогенератор (5), перетворюючи воду на пару під високим тиском, і повертається потім знову в активну зону. Пара, що утворилася в парогенераторі, обертає турбіну (6), з'єднану з генератором електроенергії (7). Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі (8), звідки вода знову надходить у парогенератор.
Головна перевага АЕС полягає в тому, що для їхньої роботи необхідно дуже мала (за масою) кількість палива порівняно з тепловими електростанціями. Крім цього, запаси ядерного палива досить великі: за різними оцінками його може вистачити на кілька століть.АЕС, що нормально функціонують, забруднюють навколишнє середовище значно менше, ніж теплові електростанції.Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу? Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинкамидля бомбардування атомних ядер? ? Що відбувається при потраплянні нейтрона в ядро Урану? ? Чому під час поділу ядер Урану виділяється енергія? ? У чому полягає керування ядерною реакцією? ? Для чого потрібно, щоб маса кожного уранового стрижня буламеншою за критичну масу? ? Для чого потрібні регулюючі стрижні? Як ними користуються? ? Для чого в ядерному реакторі використовується уповільнювачнейтронів?ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ1. Якісні питання
3. Що спільного в ядерному реакторі й паровому котлі? 2. Навчаємося розв'язувати задачі
Що ми дізналися на уроці
Домашнє завдання
-
Як за допомогою камери Вільсона можна визначити природу частки, що пролетіла в камері, її енергію, швидкість? -
Швидкість α-частинки в середньому в 15 разів менше за швидкість β-частки. Чому α-частинки (жирний трек на рисунку) слабше відхиляються магнітним полем?
Урок 7/54
Тема. Ядерний реактор
Мета уроку: ознайомити учнів з розподілом ядер урану, що дозволяє одержати велику кількість ядерної енергії; пояснити будову й принцип дії ядерного реактора.
Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу.
План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Поділ ядер урану
Атомні ядра, що містять велике число нуклонів, нестійкі і можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрасс-ман спостерігали поділ ядра Урану
під дією повільних ней-
тронів. Використання саме нейтронів для поділу ядер обумовлено їхньою електричною нейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує тендітну стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо
), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. Їхнє взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу
, тобто
Мета уроку: ознайомити учнів з розподілом ядер урану, що дозволяє одержати велику кількість ядерної енергії; пояснити будову й принцип дії ядерного реактора.
Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу.
План уроку
| Контроль знань | 6 хв | 1. Будова й принцип дії камери Вільсона. 2. Будова й принцип дії лічильника Гейгера. 3. Які фізичні явища лежать в основі дії каме- ри Вільсона та лічильника Гейгера? |
| Демонстрації | 7 хв | 1. Відеофрагмент «Ядерний реактор». 2. Таблиці «Ядерний реактор» й «Атомна елек- тростанція» |
| Вивчення нового матеріалу | 27 хв | 1. Поділ ядер Урану. 2. Ланцюгова ядерна реакція. 3. Ядерний реактор |
| Закріплення вивченого матеріалу | 5 хв | 1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв'язувати задачі |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Поділ ядер урану
Атомні ядра, що містять велике число нуклонів, нестійкі і можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрасс-ман спостерігали поділ ядра Урану
під дією повільних ней-тронів. Використання саме нейтронів для поділу ядер обумовлено їхньою електричною нейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує тендітну стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо
), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. Їхнє взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу , тобтоЯдерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
до його поділу на ядра меншої маси, що називаються уламками поділу. Причому найбільш імовірним виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3. Більшість великих уламків мають масове число А в межах 135—145, а дрібні від 90 до 100. У результаті реакції поділу ядра Урану
утворюються два читри нейтрони. Одна з можливих реакцій поділу ядра урану протікає за схемою:
Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:
^ Поділом ядра називається ядерна реакція розподілу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, що називаються уламками поділу. Енергія, що виділяється під час поділу ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування. За повного поділу всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти.
2. Ланцюгова ядерна реакція
Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра в процесі поділу, може, у свою чергу, спричинити поділ сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні призвести до подальшого поділу. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.
^ Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції. Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час поділу одного ядра N нейтронів можуть спричинити поділ N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, що зумовлюють поділ N2ядер, тощо. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії. У цілому процес
має лавиноподібний характер, протікає дуже швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.
Для здійснення ланцюгової реакції не можна використовувати будь-які ядра, що діляться під впливом нейтронів. Через низку причин з ядер, що зустрічаються в природі, придатні до цього лише ядра ізотопів Урану з масовим числом 235, тобто
3. Ядерний реактор
Ланцюгову ядерну реакцію вчені й інженери змогли зробити керованою: для цього необхідно було забезпечити, щоб кількість ядер, що діляться, в одиницю часу залишалася постійною. Уперше керована ланцюгова реакція поділу ядер урану була здійснена 1942 р. у США під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі. ^ Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер.
Як було встановлено дослідним шляхом, для виконання ланцюгової керованої реакції найбільш ефективними є повільні нейтрони, кінетична енергія яких у десятки разів менше, ніж енергія нейтронів, що вилітають під час поділу ядер. Тому виникає потреба
Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
в уповільнювачі нейтронів. Кращим сповільнювачем є важка вода. Звичайна вода сама захоплює нейтрони і перетворюється на важку воду. Гарним уповільнювачем вважається також графіт, ядра якого не поглинають нейтрони.
Щоб кількість ядер урану, що діляться в одиницю часу, залишалася постійною, необхідно, щоб залишалося постійним і число повільних нейтронів. Якщо їхня кількість почне збільшуватися, це загрожує атомним вибухом, а якщо почне зменшуватися — реакція «згасне».
Щоб забезпечити сталість числа нейтронів, використовують поглиначі нейтронів — речовини, ядра яких ефективно поглинають нейтрони. Гарними поглиначами нейтронів є кадмій і бор. З них виготовляють регулюючі стрижні, що вводяться в робочий простір ядерного реактора: змінюючи глибину занурення цих стрижнів, можна змінювати число ядер урану, які діляться щомиті.
Щоб у зразку урану могла відбуватися ланцюгова ядерна реакція, його маса повинна бути досить великою. Це необхідно для того, щоб нейтрони, що випускаються під час поділу ядер, не вилітали відразу ж за межі зразка, а спричиняли нові реакції поділу. ^ Найменшу масу речовини, що ділиться і за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою. Для кулястого зразка чистого урану
критична маса дорівнює приблизно 50 кг. Однак її можна зменшити в десятки разів, використовуючи уповільнювачі нейтронів і оточуючи зразок берилієвою оболонкою — вона відбиває нейтрони, що вилітають, у зону реакції, збільшуючи їхній шлях у зразку.На рисунку схематично зображена схема будови атомної електростанції (АЕС) з ядерним реактором на повільних нейтронах.
Головна перевага АЕС полягає в тому, що для їхньої роботи необхідно дуже мала (за масою) кількість палива порівняно з тепловими електростанціями. Крім цього, запаси ядерного палива досить великі: за різними оцінками його може вистачити на кілька століть.АЕС, що нормально функціонують, забруднюють навколишнє середовище значно менше, ніж теплові електростанції.Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу? Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинкамидля бомбардування атомних ядер? ? Що відбувається при потраплянні нейтрона в ядро Урану? ? Чому під час поділу ядер Урану виділяється енергія? ? У чому полягає керування ядерною реакцією? ? Для чого потрібно, щоб маса кожного уранового стрижня буламеншою за критичну масу? ? Для чого потрібні регулюючі стрижні? Як ними користуються? ? Для чого в ядерному реакторі використовується уповільнювачнейтронів?ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ1. Якісні питання
-
Згоряє шматок паперу. Чи є горіння ланцюговою реакцією? Хімічною чи ядерною? -
Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі?
3. Що спільного в ядерному реакторі й паровому котлі? 2. Навчаємося розв'язувати задачі
-
Ядро урану
поглинає один нейтрон і ділиться на два уламки й чотири нейтрони. Один з уламків — ядро . Ядром якого ізотопу є другий уламок?
-
Напишіть ланцюжок ядерних перетворень ядра Урану
що захопив нейтрон, у Плутоній
, з огляду на те, що всі ядра, які знову утворюються, є бета-радіоактивними, тобто зазнають радіоактивного розпаду з випущенням електрона. Розв'язок:
.
Що ми дізналися на уроці
-
Поділом ядра називається ядерна реакція поділу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, що називаються уламками поділу. -
Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції. -
Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер. -
Найменшу масу речовини, що ділиться й за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою.
Домашнє завдання
-
Підр.: § 36. -
Зб.: № 18.1; 18.2; 18.3; 18.4; 18.5.