УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

УРОК 10/59

Тема. Ядерна енергетика

Мета уроку: ознайомити учнів з новим видом ядерної реакції, що дозволяє одержати велику кількість ядерної енергії.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Ланцюгові реакції розподілу

Атомні ядра, що містять значну кількість нуклонів, нестійкі й можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрассман спостерігали ділення ядра Урану 23592U під дією повільних нейтронів. Використання саме нейтронів для ділення ядер обумовлено їх електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує нестійку стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо 23692U* ), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. їх взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу 23692U*, тобто до його ділення на ядра меншої маси, названі осколками ділення. Причому найбільш імовірним виявляється ділення на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2:3. Більшість великих осколків мають масове число А в межах 135-145, а дрібні — від 90 до 100. У результаті реакції ділення ядра Урану 23592U утворюються два або три нейтрони. Одна з можливих реакцій ділення ядра Урану відбувається за схемою:

Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:

Діленням ядра називається ядерна реакція ділення важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, названі осколками ділення.

Оскільки маса спокою важкого ядра більша від суми мас спокою осколків, що виникають під час ділення, то через це відбувається виділення енергії, еквівалентної зменшенню маси спокою.

Енергія, що виділяється під час ділення ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Значна кінетична енергія, яку мають осколки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування. У разі повного ділення всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти.

Кожний з нейтронів, що вилітає з ядра під час ділення, може, у свою чергу, спричиняти ділення сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні зумовити подальше ділення. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.

Ø  Реакція, у якій кількість ядер, що діляться, збільшується з часом або залишається постійною, називається ланцюговою ядерною реакцією.

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час ділення одного ядра N нейтрони можуть зумовлювати ділення N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, які спричинять ділення N2 ядер, і т. ін. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії.

Загалом процес має лавиноподібний характер, відбувається досить швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

2. Керована ланцюгова ядерна реакція

Швидкість ланцюгової реакції ділення ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення числа нейтронів на певному етапі ланцюгової реакції до їх числа в попередньому етапі.

·       Якщо k > 1, то кількість нейтронів збільшується із часом або залишається постійною і ланцюгова реакція відбувається.

·       Якщо k < 1, то число нейтронів зменшується й ланцюгова реакція неможлива.

·       При k = 1 реакція протікає стаціонарно: кількість нейтронів зберігається незмінною. Цю рівність необхідно підтримувати з високою точністю. Уже при k = 1,01 майже миттєво відбудеться вибух.

Число нейтронів, що утворюються під час ділення ядер, залежить від об’єму уранового середовища. Чим більший цей об’єм, тим більше число нейтронів виділяється під час ділення ядер. Починаючи з деякого мінімального критичного об’єму урану, що має певну критичну масу, реакція ділення ядер стає самопідтримувальною.

3. Ядерний реактор

Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі.

Ø  Ядерним реактором називається пристрій, у якому здійснюється й підтримується керована ланцюгова реакція ділення деяких важких ядер.

Основними елементами ядерного реактора є:

·       ядерне пальне (уран 235, уран 238, плутоній 239);

·       сповільнювач нейтронів (важка вода, графіт та ін.);

·       теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора:

ü  вода;

ü  рідкий натрій та ін.;

·       регулювальні стрижні (бор, кадмій), які сильно поглинають нейтрони;

·       захисна оболонка, що затримує випромінювання (бетон із залізним наповнювачем).

Ядерне паливо розміщується в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, названих тепловидільними елементами (TBEЛ). Твели призначені для регулювання потужності реактора. Маса кожного паливного стрижня значно менша від критичної, тому в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона починається після занурення в активну зону всіх уранових стрижнів.

Активна зона оточена шаром речовини, що відбиває нейтрони (відбивач), і захисною оболонкою з бетону, що затримує нейтрони й інші частинки.

Відвід тепла від паливних елементів здійснює теплоносій — вода. Вона обмиває стрижень, нагрітий до 300 °С за високого тиску, надходить у теплообмінники. У теплообміннику вода, нагріта до 300 °С , віддає тепло звичайній воді, яка в свою чергу перетворюється на пару.

Керування реактором здійснюється за допомогою стрижнів, що містять кадмій або бор. За висунутих з активної зони реактора стрижнів k>l, а за повністю уведених — k < 1. Уводячи стрижні усередину активної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Керування ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.

4. Реактор на повільних і швидких нейтронах

Найбільш ефективне ділення ядер Урану-235 відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називаються реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, що утворюються в результаті реакції розподіли, є швидкими. Для того щоб їхня дальша взаємодія з ядрами Урану-235 у ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх сповільнюють, уводячи в активну зону сповільнювач — речовину, що зменшує кінетичну енергію нейтронів.

Реактори на швидких нейтронах не можуть працювати на природному урані. Реакцію можна підтримувати лише в збагаченій суміші, що містить не менше 15 % ізотопу Урану. Перевага реакторів на швидких нейтронах у тому, що під час їх роботи утворюється значна кількість плутонію, який потім можна використати як ядерне паливо.

5. Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер в електричну енергію

Ø  Ядерний реактор є основним елементом атомної електростанції (АЕС), що перетворює теплову ядерну енергію в електричну.

Перетворення енергії відбувається за такою схемою: внутрішня енергія ядер Урану — кінетична енергія нейтронів і осколків ядер — внутрішня енергія води — внутрішня енергія пари — кінетична енергія пари — кінетична енергія ротора турбіни й ротора генератора — електрична енергія.

Залежно від призначення ядерні реактори бувають енергетичні, конвертори й розмножувачі, дослідницькі й багатоцільові, транспортні й промислові.

Ядерні енергетичні реактори використовують для вироблення електроенергії на атомних електростанціях, у суднових енергетичних установках, атомних теплоелектроцентралях, а також на атомних станціях теплопостачання.

Реактори, призначені для виробництва вторинного ядерного палива із природного урану й торію, називаються конверторами або розмножувачами. У реакторі-конверторі вторинного ядерного палива утворюється менше від первинно витраченого. У реакторі-розмножувачі здійснюється розширене відтворення ядерного палива, тобто його одержують більше, ніж було витрачено.

Дослідницькі реактори використовують для досліджень процесів взаємодії нейтронів з речовиною, вивчення поводження реакторних матеріалів в інтенсивних полях нейтронного й гамма- випромінювань, радіохімічних у біологічних досліджень, виробництва ізотопів, експериментального дослідження фізики ядерних реакторів.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Чому під час реакцій розподілу важких ядер виділяється енергія?

2. Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинками для бомбардування атомних ядер?

3. Навіщо в ядерному реакторі використовують сповільнювачі нейтронів?

4. Навіщо в ядерному реакторі використовують поглиначі нейтронів?

5. Для чого в атомному реакторі необхідні поглиначі нейтронів?

6. Як здійснюють керування ядерною реакцією в реакторах?

7. Яку роль виконують графіт і вода в ядерних реакторах?

Другий рівень

1. У чому полягає головна відмінність ядерних реакцій на нейтронах від ядерних реакцій, зумовлених зарядженими частинками?

2. Згоряє шматок паперу. Чи є горіння ланцюговою реакцією? хімічною чи ядерною?

3. Які переваги атомних електростанцій порівняно з тепловими?

4. Які проблеми можуть виникнути у разі використання атомних електростанцій?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому природний уран не є атомним пальним і зберігання його не пов’язане з небезпекою вибуху?

Розв'язання

Ядра 23892U, зазвичай поглинають нейтрони, що є результатом спонтанного ділення ядер Урану, при цьому ланцюгова реакція не відбувається. Зіткнення ж їх із ядрами 23592U відбуваються дуже рідко через низький уміст (0,7 %) останнього в урановій руді.

2. Один-єдиний нейтрон може спричинити в шматку урану ланцюгову реакцію з виділенням величезної кількості енергії. Як може в цьому шматку з’явитися нейтрон? Звідки?

Рішення

Нейтрон може з’явитися за рахунок спонтанного ділення ядра Урану; при цьому кожний розподіл дає 2-3 вільних нейтрони.

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. В урановому реакторі ізотоп Нептунію з масовим числом 239 випускає електрони. Напишіть рівняння ядерної реакції.

2. Знайдіть ККД атомної електростанції потужністю 500 МВт, якщо щодоби вона витрачає 2,35 кг урану-235. Уважайте, що під час кожного розподілу ядра Урану виділяється енергія 200 МеВ.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Діленням ядра називається ядерна реакція ділення важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, які називаються осколками ділення.

·       Реакція, у якій кількість ядер, що діляться, збільшується з часом або залишається постійною, називається ланцюговою ядерною реакцією.

·       Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення числа нейтронів на певному етапі ланцюгової реакції до їх числа на попередньому етапі.

·       Ядерним реактором називається пристрій, у якому здійснюється й підтримується керована ланцюгова реакція ділення деяких важких ядер.

·       Основні елементи ядерного реактора:

ü  ядерне пальне;

ü  сповільнювач нейтронів;

ü  теплоносій;

ü  пристрій для регулювання швидкості реакції;

ü  захисна оболонка, що затримує випромінювання.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 32.

2. 3б.:

Рів2 № 17.16; 17.17; 17.18; 17.19.

Рів3 № 17.72; 17.93; 17.94; 17.95.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 14.