Открытый урок на тему "Ядерный реактор" (9 класс)

ТЕМА: Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую.

ЦЕЛЬ УРОКА: объяснить принцип действия ядерного реактора.

ХОД УРОКА:
I. Проверка домашнего задания:

1)      Расскажите о механизме протекания цепной ядерной реакции.

2)      Перечислите факторы, влияющие на ход цепной реакции.

3)      Тестовая работа с классом:

I.                    В результате деления массивное атомное ядро распадается:

1)      на две примерно равные по массе части;

2)      на a-частицы и b-частицы;

3)      на протоны и нейтроны;

4)      на множество атомных ядер меньшей массы.

II.                 Ядро  поглотило нейтрон n. В результате образовалось ядро:

1)      ;    2) ;    3) ;   4)

III.              Какое из приведённых выражений определяет понятие «цепная ядерная реакция»:

1)      процесс самопроизвольного распада ядер атомов некоторых химических элементов.

2)      процесс превращения атомных ядер, происходящий в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом.

3)      процесс деления атомных ядер некоторых химических элементов, происходящий под действием нейтронов, образующихся в процессе самой ядерной реакции.

IV.              Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре атома углерода С ?

1)      Z = 6, N = 14;

2)      Z = 14, N = 6;

3)      Z = 6, N = 6;

4)      Z = 6, N = 8;

5)      Z = 8, N = 6.

V.                Какая частица испускается при ядерной реакции …?

1)      a-частица;

2)      протон;

3)      нейтрон;

4)      электрон.

5)      индивидуальные карточки:

Вариант 1.

1.      Каков состав ядра ?

2.      Напишите ядерную реакцию происходящую при бомбардировке атома бора нейтронами, при которой из образовавшегося ядра выбрасывается a-частица.

Вариант 2.

1.      Каков состав ядра ?

2.      При бомбардировке атома алюминия  a-частицами образуется атом фосфора . Напишите ядерную реакцию.

Вариант 3.

1.      Какой состав ядра ?

2.      При бомбардировке атома азота нейтронами образуется атом бора . Какая при этом испускается частица?. Напишите ядерную реакцию.

Вариант 4.

1.      Каков состав ядра ?

2.      При обстреле атома лития протонами получается гелий. Напишите ядерную реакцию.

Вариант 5.

1.      Каков состав ядра ?

2.      Допишите ядерную реакцию …+ .

Вариант 6.

1.      Определите состав ядра .

2.      Допишите ядерную реакцию

Вариант 7.

1.      Определите состав ядра

2.      При бомбардировке нейтронами атома азота испускается протон. В ядро какого атома превращается ядро азота? Запишите ядерную реакцию.

Вариант 8.

Задание: Открой §67 и ответь на вопросы 1–5 стр. 210.

II.   Новый материал

При делении тяжелых ядер обязуется несколько свободных нейтронов. Это позволяет организовать так называемою цепную реакцию, когда нейтроны, распространяясь в среде, содержащей тяжелые элементы, могут вызвать их деление с испусканием новых свободных нейтронов. Если среда такова, что число вновь рождающихся нейтронов, увеличивается, то процесс деления лавинообразно нарастает. В случае, когда число нейтронов при последующих делениях уменьшается, цепная реакция затухает

Для получения стационарной цепной ядерной реакции необходимо создать такие условия, чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон, при делении выделяло в среднем один нейтрон, идущий на деление второго тяжелого ядра.

Определение: Управляемая ядерная реакция – ядерная реакция в которой  скорость размножения свободных нейтронов  в уране можно регулировать, чтобы их число оставалось неизменным.

Определение: Ядерный реактор – это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.

Рассмотрим устройство и принцип действия ядерного реактора, в котором в качестве делящегося вещества (его называют также ядерным топливом или горючим) используется в основном ²³⁵U. В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего 0,7 %), поэтому природный уран обогащают т.е., доводят содержание ²³⁵ U до 5 %.

Реактор работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран 235 наиболее  эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлить. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.

Принцип действия ядерного реактора

Основные части реактора на медленных нейтронах

Название	Назначение	Что используется?
1. Ядерное топливо	В нем происходит реакция деления тяжелых ядер, сопровождающаяся выделением энергии	Уран – 235 (природный уран обогащают) в реакторах на медленных нейтронах; в виде урановых стержней
2. Замедлитель	Замедляет быстрые нейтроны, появившиеся в результате реакции деления	Вода, тяжелая вода, графит
3. Отражатель	Возвращать нейтроны, покинувшие делящееся вещество, внутрь него.	Бериллиевая оболочка, охватывающая активную зону реактора.
4. Защитная оболочка	Задерживать нейтроны и др. частицы, предохранять окружающую среду от радиоактивного загрязнения	Бетон
5. Регулирующие стержни	Управлять скоростью размножения нейтронов (при их полном погружении в активную зону, цепная реакция идти не может)	Поглотитель нейтронов без последующего деления; соединения бора и кадмия
6. Теплоноситель	При его помощи теплота, выделяемая в активной зоне реактора осколками деления, отводится наружу  (в теплообменник)	Вода

Главным элементов ядерного реактора является активная зона. В ней размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления.

Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных  тепловыделяющих элементов (твэлов), содержащих ядерное топливо. С топливом в виду прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например, обычная или тяжелая вода. Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнется цепная реакция деления ядер урана. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем нейтронов – слоем материала отражателя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны.

Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью попадают в воду, сталкиваются с ядрами кислорода и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении  ядер.

Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагревается в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник,  нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.

Посредством этого пара вращается турбина, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воды. Затем весь цикл повторяется.

При получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии:

внутренняя энергия атомных ядер урана

↓

кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер

↓

внутренняя энергия воды (теплоносителя)

↓

внутренняя энергия пара

↓

кинетическая энергия пара

↓

кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора

↓

электрическая энергия

III. Закрепление

Укажите назначение каждого из этих веществ в реакторе .

1.      Урановые стержни (обогащенный уран) 2.      Стержни из кадмия и бора 3.      Бериллиевая оболочка, охватывающая активную зону реактора 4.   Вода

I.   Теплоноситель, при помощи которого теплота, выделяемая в активной зоне реактора осколками деления, отводится наружу (в теплообменник) II.   Замедлитель, в котором быстрые нейтроны вследствие многократных столкновений с ядрами замедляются до тепловых скоростей III.  Отражатель, препятствующий вылету нейтронов из активной зоны IV.  Поглотитель, захватывающий нейтроны без деления и служащий для регулирования цепной ядерной реакции V.   Ядерное «горючее», ядра которого под воздействием нейтронов делятся на осколки, разлетающиеся с огромными скоростями

IV.             Заключение:

Энергетическая проблема – одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству.

Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления энергии выдвинут новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества.

Мировые энергетические потребности в ближайшие десятилетия будут интенсивно возрастать.

Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы.

В первые десятилетия XXI века наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах.

V.        Домашнее задание § 68, заполнить таблицу.