Деление ядер урана, 11 класс

Разработка урока по физике.

Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция.

Ядерный реактор.

11 класс, продолжительность урока 90 минут

Побызакова Наталья Петровна, учитель физики, I кв. категория

МБОУ «Гимназия» г. Черногорск, Республика Хакасия.

Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор.

Цели:

1. Раскрытие механизма деления ядер урана и возможности использования ядерной энергии на примере цепной ядерной реакции.

2. Изучение условий протекания цепной ядерной реакции.

3. Выявление экологических проблем в связи с использованием атомной энергии.

4. Формирование общеучебных умений и навыков: решение комбинированных задач, работа со справочными таблицами и дополнительной литературой.

5. Создание условий для развития познавательного интереса к предмету.

Оборудование: компьютер, проектор, справочные таблицы.

Ход урока:

I . Актуализация знаний.

Вопросы для учащихся:

1. Что называют ядерной реакцией?

2. Какие типы ядерных реакций вы знаете?

3. Как подсчитать энергетический выход ядерной реакции?

Предполагаемые ответы:

1. Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементар-ными частицами или друг с другом.

2. Радиоактивность (, распады), взаимодействие ядер с протонами, нейтронами, синтез легких ядер.

3. Чтобы найти энергетический выход ядерной реакции необходимо подсчитать массу частиц и ядер до и после реакции и разность масс умножить на энергетический эквивалент 931,5 МэВ.

II. Изучение нового материала.

1. Мотивационная беседа.

Возможность практического использования ядерной энергии появилась только после открытия реакции деления ядер урана.

• Историческая справка

В 1940 г. советские физики Г.Н.Флеров и К.А.Петржак обнаружили самопроизвольное деление ядер урана. Примерно в это же время немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман открыли, что ядро урана при бомбардировке его нейтронами образует элементы, расположенные в середине периодической системы Менделеева.

Объяснение этого явления было дано немецким учёным О.Фришем и австрийским физиком Л.Мейнтнер. Они предположили, что ядро урана, захватив медленный нейтрон, превращается в ядро радиоактивного изотопа урана-236, которое распадается на два осколка X и Y, при этом выделяется несколько нейтронов

(слайд №1)

2. Изучение нового материала.

Реакция происходит по схеме:

(слайд №2)

_{235 1 236 1}

U + n → U → X + Y + 2,3 n

^{92 0 92 0}

Более поздние исследования показали, что в результате бомбардировки ядер урана нейтронами могут образовываться осколки до 80 сортов, массы которых относятся примерно как 2:3 (слайд №2)

Пример одной из возможных реакций:

(слайд №3)

_{235 1 140 94 1}

U + n → Ce + Zr + 6e + 2 n

^{92 0 58 40 0}

Практическая часть:

1. Подсчитайте энергетический выход реакции и выразите энергию в Джоулях.

Учащиеся решают задачу.

Решение задачи №1 (слайд №3)

Дано: Решение:

m_U=235,0439 а.е.м. m₁=235,0439+ 1,0087 = 236,0526 а.е.м.

m_Ce=139,9054 а.е.м

m_Zr=93,9036 а.е.м.

m_6e=0,0033 а.е.м. m₂=139,9054+ 93,9036+ 0,0033 = 235,8296 а.е.м.

Найти: E₀

Δm=0,223 а.е.м.

E₀=0,223 ∙ 931,5 ≈ 208 МэВ ≈

≈ 208 ∙ 1,6 ∙ 10^-19 ≈ 332,8 ∙ 10^-13 Дж

2. Проверьте результат (слайд №3)

Эта энергия уносится осколками и нейтронами в виде их кинетической энергии, а также гамма-излучениями, сопровождающим эту реакцию.

3. Рассчитайте энергию, которая выделится при делении 1 грамма U-235, при условии, что делению подвергается каждый атом. (слайд №4)

Решение задачи №2 (слайд №4)

Дано: Решение:

m=1г=0,001 кг N=m/М ∙ N_A

M=0,238 кг/моль

Найти: E N=0,001 ∙ 6 ∙ 10²³=

0,238

= 0,025 ∙ 10²³

E=N ∙ E₀

E=0,025 ∙ 10²³ ∙ 332,8 ∙ 10^-13 = 83,2 ∙ 10⁹ Дж

Проверьте результат

(слайд №4)

4. Какое количество угля потребуется сжечь, чтобы получить такое же количество энергии, которое выделится при делении 1 грамма урана.

(слайд №4)

Решение задачи №3 (слайд №4)

Дано: Решение:

E=83,2 ∙ 10⁹ Дж m=Q

q=29 ∙ 10⁶ Дж/кг q

Найти: m_y m=83,2 ∙ 10⁹ =

29 ∙ 10⁶ Дж/кг

≈ 2,87 ∙ 10³ кг

Проверьте результат (слайд №4)

Обсудим полученные результаты.

III. Интерактивная часть. Работа в группах.

Деление ядер урана имеет две важные особенности:

1) При делении каждого ядра выделяется значительная энергия.

2) Каждый акт деления сопровождается вылетом 2,3 нейтронов, которые могут вызвать деление других ядер, т.е. сделать реакцию цепной.

1. Рассмотрим условия протекания цепной ядерной реакции.

Примечание: класс разбивается на 3 группы: физики, инженеры и экологи

Сделать это нужно до урока, для того чтобы учащиеся смогли поработать с дополнительной литературой.

Физики рассматривают условия протекания ядерной реакции.

Инженеры изучают устройство и принцип действия ядерного реактора.

Экологи обсуждают вопросы экологической безопасности АЭС.

Учащиеся работают с учебником Физика-11, §109, 110 и дополнительной литературой.

Ожидаемый результат от работы групп:

Учащиеся отвечают на поставленные вопросы и результаты представляют в виде презентации.

Оценивается работа всей группы.

Вопросы для физиков:

1. Что называют цепной ядерной реакцией?

2. Что называют коэффициентом

размножения нейтронов? Как протекает ц.я.р. при k≥1, k<1?

3. Какие факторы влияют на коэффициент размножения нейтро-нов?

4. Что называют критической массой?

Предполагаемые ответы:

1.Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой реакции. (слайд №5)

2.Для протекания цепной ядерной реакции важен коэффициент размножения нейтронов.

(слайд №6)

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения».

Обозначают k (слайд №7)

Если k≥1, цепная реакция идёт;

k<1, цепная реакция невозможна.

Для стационарного течения цепной реакции k=1. Уже при k=1,01 почти мгновенно произойдет взрыв (слайд №8).

3. Факторы, влияющие на коэффициент размножения нейтронов.

Захват медленных нейтронов ядрами урана-235 с последующим делением и захватом быстрых нейтронов с последующим делением;

захватом нейтронов без деления;

захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктив-ными элементами установки;

вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

(слайд №9)

4. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция.

Примеры: m_U-235=50 кг

m_Pu=9 кг

m_U-233=16 кг

Вопросы для группы инженеров: каков принцип действия ядерного реактора?

Ответы группы инженеров:

1. Цепная ядерная реакция протекает в устройствах, которые называются ядерным реактором. (слайд №10)

Основные части ядерного реактора любого типа: активная зона, где находится ядерное топливо и протекает цепная ядерная реакция; отражатель нейтронов, окружающий активную зону; оболочка биологической защиты от нейтронного и гамма-излучения (обычно выполняется из бетона с железным наполнителем).

Ядерное топливо в реакторе размещено в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), представляющих собой, как правило, металлические или карбидные пеналы (карбиды – соединения углерода с металлами, а также с кремнием и бором), содержащие уран-235.

В состав реактора также входят блоки замедлителя из графита и регулирующие стержни из бора или кадмия, сильно поглощающие нейтроны. Введение этих стержней в активную зону реактора подавляет цепную реакцию, а выведение, наоборот, активизирует.

В активной зоне реактора находится система труб, по которым прокачивают теплоноситель (воду). Вода, находящаяся под давлением 100 атмосфер нагревается до 270°C и поступает в парогенератор, где отдаёт большую часть своей энергии воде второго контура и с помощью насоса вновь поступает в активную зону реактора. Вода второго контура в парогенераторе превращается в пар, который поступает в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор.

Прошедший через турбину пар поступает в конденсатор, где охлаждается и превращается в воду, которая вновь подаётся в парогенератор. Охлаждение пара в конденсаторе происходит холодной водой третьего контура, которая через заборные устройства поступает из водоёма.

Группа экологов: (слайд №11)

1. Доля атомной энергетики в мировом производстве электрической энергии составляет 17% (около 2000 млрд. к Вт∙ч.)

По данным за 1999 г. Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) мировую атомную энергетику представляют 450 атомных реакторов, работающих в 31 стране.

Во Франции доля атомной энергии – 77%, Бельгии – 56%, Швеции – 53%, в США – 19%, в России – 11%.

На территории России расположено 9 АЭС, из них 8 в европейской части. Самая крупная АЭС в России – Курская.

2. Положительные факторы:

• Если бы те 17% мирового производства электроэнергии, которые дают АЭС производили бы ТЭС, работающие на угле, то в атмосферу дополнительно поступало бы около 1 млрд. тонн углекислого газа в год, а также десятки миллионов тонн оксидов серы, азота и других вредных выбросов.

3. Отрицательные факторы:

• Тепловое загрязнение («сброс» огромного количества теплоты в воздух и воду): изменяет климат региона, где расположена АЭС, увеличивает влажность воздуха, загрязняет водоёмы и делает невозможным использовать их для питьевого водоснабжения и разведения рыбы.

• Наличие радиоактивных отходов и проблемы их утилизации.

• Радиоактивное излучение (существует на всех этапах топливного цикла и работ АЭС)

• Аварийные ситуации (слайд №11)

Подведя итоги Чернобыльской катастрофы, произошедшей в 1986 году, отметим, что погибло 80 тыс. человек, пострадало более 3 млн. человек, из которых 1 млн. – дети. Чернобыль принёс убытки, сравнимые с бюджетами целых государств, а последствия катастрофы не удастся преодолеть в обозримое время.

IY. Рефлексия.

Обсуждение работы групп по следующим направлениям.

Какие реакции называют цепными?

• Какие факторы влияют на протекание цепной ядерной реакции? При каком условии возможен взрыв?

• Какие изотопы урана используются для осуществления цепной ядерной реакции? Почему?

• Какую роль играет замедлитель и регулирующие стержни?

• Чем опасно тепловое загрязнение?

• Ваши «за» и «против» атомной энергетике.

5. Какие вопросы вы хотели бы задать группам?

V. Подведение итогов.

1. Выставление оценок.

2. Домашнее задание.

Литература:

1. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев; Физика 11 кл.; Москва, «Просвещение», 2006г.;

2. Н.Н.Шахмаев; Физика 10 кл.; Москва, «Просвещение», 1984 г.;

3. Г.Н.Степанова; Сборник задач по физике;

4. Е.Э.Боровский; Материал к уроку-лекции «Атомная энергетика: проблемы экологии».

—