2-й семестр
ЯДЕРНА ФІЗИКА
4. Атомне ядро. Ядерна енергетика
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
Контроль знань | 6 хв. | 1. Будова й принцип дії камери Вільсона. 2. Будова й принцип дії лічильника Гейгера. 3. Які фізичні явища лежать |
Демонстрації | 7 хв. | 1. Відео-фрагмент “Ядерний реактор”. 2. Таблиці “Ядерний реактор” й “Атомна електростанція” |
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
Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:
O 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.
O 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 N2 ядер, 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 292, тобто 23592U.
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 1952 р. у США під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі.
O 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 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.
O Найменшу масу речовини, що ділиться і за якої можлива ланцюгова ядерна реакція, називають критичною масою.
Для кулястого зразка чистого урану 23592U 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 частинками для 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 була меншою за критичну масу?
– Для чого потрібні регулюючі стрижні? Як ними користуються?
– Для чого в ядерному реакторі використовується уповільнювач нейтронів?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Згоряє шматок паперу. Чи є горіння ланцюговою реакцією? Хімічною чи ядерною?
2. Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі?
3. Що спільного в ядерному реакторі й паровому котлі?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Ядро урану 23592U поглинає один нейтрон і ділиться на два уламки й чотири нейтрони. Один з уламків – ядро 13755Cs. Ядром якого ізотопу є другий уламок?
2. Напишіть ланцюжок ядерних перетворень ядра Урану 23892U, що захопив нейтрон, у Плутоній 23994Рu, 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
1. Підр.: § 36.
2. Зб.: № 18.1; 18.2; 18.3; 18.4; 18.5.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)