Физика ядерного реактора

     В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария, криптона.

     Процесс деления атомного ядра можно объяснить  на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминают капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости.

     Ядро  урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и  начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. После этого разрывается на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью равной 1/30 скорости света и излучают при этом 2-3 нейтрона.

     Получается, что часть внутренней энергии  ядра переходит в кинетическую энергию  разлетающихся осколков и частиц. При одновременном делении большого количества ядер урана и соответственно ее температура возрастает. Какой можно сделать вывод?

Ученик: Когда делится уран, выделяется энергия.

Учитель: Таким образом, давайте запишем вывод в тетради: реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду. Как вы думаете, какая энергия содержится в ядрах атомов: большая или маленькая?

Ученик: очень маленькая.

Учитель: Да, верно. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергию, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти, то есть эту энергию можно как-то использовать. Так вот для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления урана. Как вы думаете, что это такое?

{ученики  предлагают разные варианты}.

Учитель: Чтобы не гадать рассмотрим схему развития цепной реакции.

Схема развития цепной ядерной  реакции.

     При делении ядра урана-235, которое вызвано  столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных  условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Учитель: В мирных целях использовать такую реакцию, где число нейтронов растет нельзя, то есть нужна цепная реакция, в которой число нейтронов не меняется со временем.

     В процессе ядерной реакции могут  появляться ядра, которые испускают  запаздывающие нейтроны и тем  самым способствующие поддержанию цепной реакции.

       В основе цепного процесса  всегда лежит экзоэнергетическая  реакция, обладающая тем свойством,  что возбуждается частицей и  порождает вторичные частицы.  Если в каждом акте реакции  появляется  только одна частица  носитель, то цепная реакция называется   неразветвленной. Неразветвленная цепная реакция не может стать самоподдерживающейся. Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях  цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна их вторичных частиц продолжает начатую цепь, а  другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом  ветвления конкурируют процессы, которые приводят к обрывам цепей. Если число образующихся новых цепей  превосходит число обрывов, цепная реакция  быстро распространяется по всему объему вещества при появлении, хотя бы одной начальной частицы. Состояние, при котором  число новых  цепей равно числу обрывов называется  критическим.

     Цепная  реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7%из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235.

     Из-за малой концентрации   ²³⁵ U  получение цепной реакции непосредственно в металлическом природном уране невозможно. Вместе с тем цепная реакция может быть получена в смесях природного  или слабообогащенного урана с веществами замедлителями нейтронов. При достаточно большом количестве атомов-замедлителей в смеси нейтроны  скорее замедляются до тепловой энергии, чем поглощаются в  ²³⁸ U.  В этом случае  даже при малой концентрации  ²³⁵ U  в смесях с тяжелой водой, бериллием и графитом  может быть достигнуто критическое состояние при использовании природного урана.

Цепная  реакция может развиваться в  том случае, если количество урана  больше некоторого минимального значения-критической  массы.

     Достижение  критического  состояния  представляет наибольший интерес с точки зрения получения контролируемого источника энергии.  В критическом состоянии число  нейтронов не меняется во времени. Следовательно, число актов деления  в единицу времени, а значит, и энерговыделение постоянны.  Абсолютное значение энерговыделения при этом может быть получено  любым с помощью системы управления цепной реакцией.  Введение в размножающую  среду дополнительного количества  делящегося   материала приводит к избыточному размножению цепей реакций, т.е.  сопровождается повышением   k.  Напротив,  введение поглотителя нейтронов увеличивает число обрывов цепей  и снижает  k. Кроме того возможно применение веществ-отражателей  нейтронов, перемещение которых вблизи размножающей среды  уменьшает или увеличивает потери нейтронов  из-за утечки, что также изменяет число обрывов цепей.  Манипуляции указанными элементами  управления позволяют начинать  цепную реакцию, достигать любого уровня мощности, поддерживать стационарный режим в критическом состоянии  и прекращать цепной процесс. Установка с контролируемой цепной реакцией  деления  и представляет собой ядерный реактор.

     А теперь рассмотрим основные элементы ядерного реактора. 

   Зарисуем  в своих тетрадях небольшую таблицу.

   Этап  применения новых  знаний:

Учитель: Ребята, теперь давайте проверим, как вы внимательно слушали меня. Ответьте на следующие вопросы:

1. Для чего в атомном реакторе используется замедлитель нейтронов?
2. Какие изотопы урана используются для осуществления цепной ядерной реакции?
3. Что такое ядерный реактор?
4. Что такое ядерная цепная реакция?

Подведение  итогов:

Учитель: Сегодня мы изучили темы: «…». Надеюсь, вы усвоили темы. На уроке хорошо поработали следующие ученики (Ф.И. ученика, оценка). Так же делаю замечания учащим, которые плохо себя вели. После урока можете подать дневники.

Домашнее  задание:

Учитель: Запишите в своих дневниках д/з: $$ 86-88 чтение, вопросы после параграфа (устно). На сегодня наш урок закончен. Дежурный, не забудьте убрать с доски. Все могут быть свободны. До свидания. 

Тема  урока: Изотопы. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции.

Образовательная цель: учащиеся должны усвоить следующие суждения:

1. Изотопы – это разновидности данного химического элемента, различающихся по массе атомных ядер.
2. Между всеми нуклонами действуют ядерные силы.
3. Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.
4. Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Развивающая цель: учащиеся должны овладеть следующими видами деятельности:

1. создание знания о изотопов, ядерных сил, энергия связи атомных ядер, ядерные реакции.
2. распознавание ядерного реактора в конкретной ситуации.
3. воспроизведение ядерных реакции, деление ядер урана, ядерного реактора в конкретной ситуации.

Воспитательная  цель: убедить учащихся в том, что владение научными знаниями помогает человеку правильно ориентироваться в окружающем нас мире и объяснять происходящие процессы в материальном мире.

   Тип урока: Изучение нового материала.

   Основной  метод проведения урока: эвристическая беседа.

   Литература: Учебник 11 класс «Физика» Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.