Исследовательская работа на тему "Большие возможности маленьких частиц"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя школа № 30 г.Липецка

Имени героя Российской Федерации подполковника

Олега Анатольевича Пешкова

Индивидуальный проект на тему:

"Большие возможности маленьких частиц"

     Выполнила:

                   Чебакова Даниэлла,

                   ученица 10 А класса                                                                             

     Руководитель:

     Константинова А.С.,

Липецк

2020

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………стр. 3

1.     Что такое атом и кто его открыл?............................................................стр. 4

2.     Что такое атомная энергия?......................................................................стр.5

3.     Как работает АЭС?...................................................................................стр.6

4.     Использование ядерной энергии в мирных целях...................................cтр. 7

5.     Цепная реакция....................................................…………………………стр. 8

6.     Термоядерная реакция...............................……………………………….стр. 9

7.     Проблемы использования мирного атома........…………….......…….....стр.10

8.     Атомная энергетика сегодня и завтра.......................................................стр. 11

Практическая часть………………………………………………………………стр. 12

Заключение………………………………………………………………………….стр.13

Список используемых источников…………………………………………………стр.14

ВВЕДЕНИЕ

Использование мирного атома - одно из развивающихся направлений в современной науке.

Цель моего исследования выявить, что такое мирный атом и где он применяется.

Объектом моего исследования является атом.

В ходе работы мне предстояло решить следующие задачи:

1.   Изучить источники по данной теме, используя Интернет ресурсы.

2.   Проанализировать все плюсы и минусы использования мирного атома и сделать вывод.

Проблема состоит в том, что материал по данной теме мало освещается в школьной литературе, поэтому моя работа поможет учащимся моей школы узнать больше об этой теме .

При решении поставленных задач мне необходимо было ответить на ряд вопросов:

1.   Что такое атом?

2.   Почему люди начали его изучать?

3.   Кто сделал важные открытия при его изучении?

4.   Где применяли энергию атома раньше и как ее применяют сейчас?

5.   Какие перспективы на будущее?

6.   В чем опасность использования мирного атома?

Для достижения поставленных задач мною были использованы следующие методы:

1.   Исследовательский метод.

2.                   Поиск информации с помощью соответствующей литературы и Интернет-ресурсов.

3.                   Метод опроса

1.Что такое атом и кто его открыл?

Древние греки считали, что все сущее состоит из атомов. В сущности, слово «атом» происходит от греческого слова, означающего «неделимый», поскольку греки думали, что, если делить некую вещь до тех пор, пока станет невозможным это делать, в результате последним останется атом. Сейчас, даже несмотря на то, что греки знали об этом, мы не можем доподлинно сказать, что именно они открыли атом.

Английский химик и математик Джон Дальтон 1803 году был первым, кто развил научную теорию атома. Путь к этому открытию был очень непростым.

Исследуя атмосферный воздух, Дальтон определил, что количество "растворенной" пары в закрытом сосуде определяется только температурой и не зависит от количества (давления) воздуха в нем. Более того, количество пара будет тем же, если воздух из сосуда откачать. Из этого следовало, что причина испарения не в химическом родстве между водяным паром и воздухом. Тогда в чем? Дальтон высказывает предположение газы растворяются друг в друге не потому, что их атомы притягиваются друг другом, а потому, что между атомами одного газа существует сила отталкивания. Он также предположил, что атомы одного газа не действуют на атомы другого: каждый газ является пустотой для другого. Отсюда следовал вывод, который сейчас называется законом Дальтона: давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.

 Сегодня ученые думают, что атом состоит из электронов, протонов, нейтронов, позитронов, нейтрино, мезонов и гиперонов. Вообще они открыли более 20 различных частиц в составе атома. Но, что самое странное, до сих пор не существует полного описания атома, способного объяснить все о нем.

Рис.1. Джон Дальтон

 Рис.1. Атом

Атом состоит из ядра и окружающих его частиц. Ядро атома включает в себя протоны и нуклоны, а электроны движутся вокруг ядра по определенным орбита. Данная модель называется планетарной. Учёные древности же полагали, что  все на свете состоит из мельчайших частиц — атомов, скреплённых между собой ядерными и электрическими силами. В XX веке на практике было доказано, что атом можно разделить на ещё более мелкие — субатомные — частицы. Основная масса частицы заключается в ядре.

2.Что такое атомная энергия?

Атомная энергия - энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер. Источником атомной энергии является внутренняя энергия атомного ядра.

Более точное название атомной энергии - ядерная энергия. Различают два получения ядерной энергии:

- осуществление ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер;

- осуществление термоядерной реакции синтеза легких ядер.

Ядерную энергию использует отрасль, называемая ядерной энергетикой. Эта область науки и техники разрабатывает методы и средства преобразования ядерной энергии в электрическую и тепловую. Основой ядерной энергетики являются атомные электростанции. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. Главный недостаток АЭС - тяжелые последствия аварий. 6 апреля 1986 года самая страшная радиационная катастрофа в истории потрясла то, что сегодня является северной частью Украины. В результате конструктивных недочетов и человеческих ошибок произошел катастрофический по своим последствиям взрыв в активной зоне ядерного реактора. Радиоактивное загрязнение в виде потоков пара и дыма из поврежденного реактора примерно в 400 раз превосходило по своему объему атомную бомбардировку Хиросимы. Спустя три месяца после катастрофы 30 сотрудников и пожарных атомной электростанции погибли в результате сильного радиоактивного заражения. Более 100 тысяч жителей были эвакуированы: они были вынуждены бросить свои дома, квартиры, машины, фотографии и игрушки, пораженные радиоактивными осадками .К сожалению, ядерная энергия используется не только в мирных целях. Она используется в ядерном оружии. Применение ядерного оружия в войне гибельно для всего человечества. В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепная реакция деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза. Люди, непосредственно подвергшиеся воздействию поражающих факторов ядерного взрыва, кроме физических повреждений, испытывают мощное психологическое воздействие от ужасающего вида картины взрыва и разрушений. Электромагнитный импульс непосредственного влияния на живые организмы не оказывает, но может нарушить работу электронной аппаратуры.

6 июля 1945 г. в США состоялось первое в мире испытание ядерного оружия на полигоне Аламогордо в штате Нью-Мексико. Операция по испытанию атомной бомбы получила кодовое наименование "Тринити" (Trinity). Планирование операции началось еще весной 1944 г. На самом деле сила взрыва была чудовищной и гигантский 150-тонный контейнер "Джамбо" был легко им опрокинут. Даже далеко от полигона жители были взбудоражены ужасающей силой взрыва.

Бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.

Первая бомба была сброшена на Хиросиму. 6 августа над городом появились два бомбардировщика "Б-29".Бомба разрушила до основания 60 процентов города. Из 306 545 жителей Хиросимы пострадало от взрыва 176 987 человек. Погибло и пропало без вести 92 133 человека, тяжелые ранения получили 9 428 человек и легкие ранения - 27 997 человек. Эти сведения были опубликованы в феврале 1946 г. штабом американской оккупационной армии в Японии. Различные здания в радиусе двух километров от эпицентра взрыва были полностью разрушены.

8 августа еще одна атомная бомба была сброшена на Нагасаки. Она также причинила большой ущерб и повлекла за собой многочисленные жертвы. Взрыв над Нагасаки затронул район площадью примерно 110 квадратных км, из которых 22 приходится на водную поверхность и 84 были заселены только частично. Согласно отчету префектуры Нагасаки, "люди и животные погибли почти мгновенно" на расстоянии до 1 км от эпицентра. Почти все дома в радиусе 2 км были разрушены. Количество погибших к концу 1945 года составило от 60 до 80 тыс. человек.

3.Как работает АЭС?

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

1.     Активная зона с ядерным топливом;

2.     Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

3.     Теплоноситель;

4.     Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;

5.     Радиационная защита;

6.     Система дистанционного управления.

Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора, отбирается водой (теплоносителем) 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор), где передаёт тепло, полученное в реакторе, воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образующийся пар поступает в турбину. В проточной части турбины параметры пара постепенно уменьшаются, тепло превращается в механическую энергию ротора турбины, связанного с ротором электрогенератора. В электрогенераторе механическая энергия преобразуется в электрическую .

Рис.2.Схема АЭС

 Использование ядерных материалов, оборудования или компонентов в мирных целях включает исследования и достижения в таких областях как производство электроэнергии , медицина, сельское хозяйство , промышленность. Одним из проектов является плавучая атомная электростанция. Плавучая атомная станция малой мощности (АСММ) состоит из гладкопалубного несамоходного судна с двумя реакторными установками КЛТ-40С ледокольного типа, разработанными ОАО «ОКБМ им. Африкантова». Длина судна — 144 метра, ширина — 30 метров. Водоизмещение — 21,5 тысячи тонн. Плавучая станция может использоваться для получения электрической и тепловой энергии, а также для опреснения морской воды. В сутки она может выдать от 40 до 240 тысяч тонн пресной воды. Установленная электрическая мощность каждого реактора — 35 МВт, тепловая мощность — 140 гигакалорий в час. Срок эксплуатации станции составит минимум 36 лет: три цикла по 12 лет, между которыми необходимо осуществлять перегрузку активных зон реакторных установок.

4. Использование ядерной энергии в мирных целях

Ядерная наука и технология могут содействовать поиску решений многих проблем, с которыми люди во всем мире сталкиваются в повседневной жизни. Ядерная наука и технология, при условии безопасного и надежного использования, эффективно дополняют или заменяют традиционные подходы, что делает их важной составляющей усилий международного сообщества,

нацеленных на развитие.

Здравоохранение.

Безопасное и надежное использование радиоактивных источников ,применяемых в радиотерапевтических установках и для стерилизации медицинских инструментов, также безопасное и надежное производство , распространение и использование радиофармацевтических препаратов – лекарств, содержащих радиоактивные вещества, – применяемых в ядерной медицине и лучевой терапии.

Продовольствие и сельское хозяйство.

В целях повышения продуктивности сельского хозяйства и продовольственной безопасности и безопасности пищевых продуктов обращаются к ядерным методам.

Окружающая среда.

Многие страны используют ядерные и изотопные методы для исследования и преодоления проблем окружающей среды. Они могут оценивать воздействие меняющихся экологических условий , а также контролировать загрязнение и его тенденции и управлять его воздействием.

Водные ресурсы.

В наши дни многие страны используют ядерные и изотопные методы для обретения лучшего понимания проблематики водных ресурсов, которые  позволили бы добиться устойчивого управления этими ресурсами и обеспечить их защиту на будущее.

5.Цепная реакция

В основе работы ядерного реактора на атомных электростанциях лежит возможность цепной реакции деления ядер урана. Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов.

Цепная реакция - процесс при котором определенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа, т.е. возникает лавинообразный процесс.

При делении ядер урана образующиеся нейтроны встречают в куске урана на своем пути другие ядра урана и реакция продолжается .

Рис.3.Деление ядер урана

Цепная реакция может:

1. нарастать лавинообразно ( характер взрыва) - в атомной бомбе;

2. может прекратиться ( затухнуть) -мала масса урана;

3. может быть управляемой - на атомных электростанциях.

Что же необходимо предпринять, чтобы управлять ходом цепной реакции?

1. контроль массы урана ( должна быть = критической массе);

2. использование отражающей оболочки;

3. использование замедлителя нейтронов;

4. контроль примесей других хим. элементов в массе урана.

Критическая масса - наименьшая масса при которой возможно протекание ядерной реакции.

При массе урана ниже критической цепная реакция невозможна.

Итак, в активной зоне ядерного реактора идет управляемая ядерная реакция с выделением большого количество энергии.

Ядерная энергетика деления основана на делении тяжелых ядер нейтронами. В природе есть лишь один изотоп урана, способный делиться под действием нейтронов любых энергий - уран 235.

6.Термоядерная реакция

Термоядерной называется реакция слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов. Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций.

Эта идея и привела к созданию термоядерных реакторов - токамаков. При большой плотности вещества требуемая высокая температура в сотни млн. градусов может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму.

Создание высокой температуры необходимо для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии. Только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (слияние) ядер.

При делении тяжёлых ядер может выделяться энергия. В случае с лёгкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе — при их синтезе. Причём реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых, если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон.

Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:

Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.

Одна из основных трудностей - это удержать внутри установки высокотемпературную плазму, в которой и происходит синтез ядер.

В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля. В результате термоядерных реакций, протекающих на Солнце, выделяется энергия, необходимая для жизни на Земле.

7.Проблемы использования мирного атома

Минусы атомной энергетики после Чернобыльской аварии стали очевидными для мировой общественности, а события на «Фукусиме-1» окончательно доказали опасность использования «мирного атома». Считается, что вероятность крупных аварий на АЭС крайне низка, но за последние 50 лет произошло уже 3 крупных события, принесших значительный вред человечеству: Чернобыль, Фукусима и ПО «Маяк» (в 1957 году). На устранения последствий названных аварий уйдут десятки лет.

Минусы атомной энергетики заключаются не только в том, что существует угроза загрязнения окружающей среды в результате аварии, но и в том, что даже при работе в нормальном режиме АЭС производит радиоактивные отходы. Вода, охлаждающая турбины реакторов, обычно просто сбрасывается в ближайшие водоемы, а радиоактивный пар и другие газы выходят в атмосферу. А образующиеся в процессе выработки энергии радиоактивные отходы являются еще одним серьезным минусом атомной энергетики. Минусы атомной энергетики не ограничиваются только работой АЭС: ведь до того, как уран в виде ядерного топлива попадет в реактор, он проходит несколько этапов, и везде при этом оставляет за собой радиоактивный след. В процессе добычи урана в рудниках скапливаются радиоактивные газы – радий и радон, провоцирующие развитие разных форм онкологических заболеваний.

Даже на этом начальном этапе минусы атомной энергетики очень велики – ведь здоровье тысяч людей, участвующих в процессе добычи или живущих рядом, подвергается большой опасности.

Антиядерные движения в разных странах мира занимают однозначную позицию: минусы атомной энергетики во много раз превышают получаемые выгоды, и потому строительство АЭС и производство ядерных отходов необходимо прекратить.

8.Атомная энергетика сегодня и завтра

В настоящее время ядерная энергетика переживает не лучшие свои времена, в прямом смысле слова подвергаясь гонениям со стороны правительств европейских стран и Японии. Там, где цена человеческой жизни и здоровья достаточно высока, даже гипотетические риски аварий играют решающую роль в принятии стратегических решений по развитию АЭС. Главный кандидат на спасение человечества - термоядерный синтез. Это тоже разновидность ядерной энергетики, пока существующая только на бумаге. В основе лежит так же ядерная реакция, но уже не деления, а синтеза. Это тот самый процесс, который проходит в недрах нашего Солнца. Главная проблема которую надо решить на этом пути - сложность удержания плазмы. Для инициации термоядерного синтеза необходимо разогреть вещество до миллионов градусов в очень ограниченном объеме. Самый простой способ внести порядок в этот “пчелиный рой” - обеспечить динамическое равновесие. Именно так работают Тороидальные Камеры с Магнитными Катушками (ТОКАМАК) - шнур раскаленной плазмы нарезает круги в тороидальной камере, сжимаемый вдоль оси сильнейшим магнитным полем. Самый большой перспективный термоядерный реактор - ИТЭР, строится именно в виде ТОКАМАКа. Когда (и если) он будет построен и запущен, можно будет понять хотя-бы теоретические перспективы удержания плазмы в течение нескольких часов, что абсолютно необходимо для генерации электричества в промышленных масштабах.Есть еще и проблема №2 - теплосъем с плазмы. Для того чтобы пар начал вращать турбину, ему надо передать энергию плазмы. Но конструкция камеры ТОКАМАКа необычайно сложна и громоздка. Пока не совсем понятно, каким образом туда можно пристроить эффективный теплообменник не загубив и без того непростую задачу удержания плазмы. На заре становления атомной энергетики её без преувеличения считали ключом в энергетический “эльдорадо” для всего мира, и уж точно пророчили скорый упадок углеводородов.

Практическая часть

В процессе своего исследования я работала с информацией, изучая Интернет-ресурсы по данной теме.

При выполнении данной работы мне стало интересно ,какими знаниями в данной сфере обладают мои сверстники.

Я провела опрос, который включал в себя следующие вопросы:

1.   Знаете ли вы что такое атом?

2.     Из чего он состоит?

3.     Где применяется энергия атомов?

4.     Опасно ли использование атомной энергетики?

5.     Какой другой вид энергии вы предпочли бы в качестве альтернативы атомной?

Результаты опроса порадовали меня. Большинство моих сверстников имеют какое-либо  представление об атоме.

                                                            Заключение

Я выбрала эту тему, так как она важная и является довольно таки актуальная не только сегодня ,но и в будущем.

Цель и задачи, поставленные в проекте , выполнены. Исследовано понятие и значение атома , рассмотрен способ использования атомной энергии, разобраны значения цепной и термоядерной реакций .

Таким образом, можно сделать вывод, что в своей исследовательской работе я указала ответы на вопросы в начале , а также рассмотрела плюсы и минусы использования энергии атома. Я считаю, что эту тему нужно чаще освещать в школьной программе. Чем больше внимания уделяется атомной энергетике , тем быстрее она будет развиваться. Станции, основанные на ней имеют множество плюсов. Например : огромная энергоемкость, повторное использование, снижение парникового эффекта, развитие экономики, самые низкие показатели травматизма.

При работе над проектом мной были использованы местная пресса и Интернет-ресурсы.

Список используемых источников

1.     Интернет-ресурс https://polymus.ru/ru/education/YDetei/ask_a_scientist/12277/

2.     Интернет-ресурс https://info.wikireading.ru/12600

3.     Интернет-ресурс https://scienceforum.ru/2011/article/2011000777

4.     Интернет-ресурс https://moluch.ru/archive/102/23600/

5.     Интернет-ресурс http://class-fizika.narod.ru/9_40.htm

6.     Интернет-ресурс https://golos.io/@grrra/yadernaya-energetika-segodnya-i-zavtra

7.     Интернет-ресурс https://novostienergetiki.ru/minusy-atomnoj-energetiki/