урок физики в 11 классе "Использование ядерной энергии"

Урок 11 класс Ядерная энергетика

                                                          Если физики  все делают правильно,

никто не заметит, а если неправильно,

                                    замечать будет некому. (Слайд №1)

Цель урока: оценить значение открытий атомной и ядерной физики для энергетики и рассмотреть возможность использования законов ядерной физики в теории и на практике.

Задачи урока:

* Образовательные:

- обобщить и систематизировать знания учащихся о ядерных реакциях;

- закрепить понятия, связанные с радиоактивностью;

- познакомить учащихся с возможностями использования ядерной энергии;

- оценить положительные и отрицательные стороны использования ядерной     энергии;

- продолжить формирование умений пользоваться дополнительными      источниками информации;

* Воспитательные:

- сформировать мировоззренческие идеи, связанные с угрозой человечеству  при использовании   ядерной энергии;

- воспитывать стремление к овладению знаниями, к поиску интересных фактов;

* Развивающие:

- развивать интерес к предмету;

-развивать умение, отбирать необходимые знания из большого объёма иформации,   умение  обобщать факты, делать выводы;

- совершенствовать навыки самостоятельной работы.

Методы проведения урока:

- фронтальный опрос;

- работа с учебником, таблицами;

-анализ полученных знаний.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, справочные таблицы, периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева.

ХОД УРОКА

1. Организационный этап

2. Повторение. Фронтальный опрос

                   Учитель: Любая физическая теория имеет ценность с точки зрения ее практического применения. Сегодня мы завершаем изучение теории атомного ядра.  Поэтому начать урок я хочу словами   Э. Резерфорда,  человека, который помог человечеству заглянуть внутрь атома: «Так не бывает, чтобы экспериментаторы  вели  свои поиски ради открытия нового источника энергии или ради получения редких и дорогих элементов. Истинная побудительная причина лежит глубже и связана с захватывающей увлекательностью проникновения в одну из величайших тайн природы». (Слайд №2)  
Пытливый ум побуждает учёных на поиск чего-то нового. Они делают открытия для души, ими движет желание проникнуть в тайны природы, а результаты их трудов в дальнейшем используются человечеством. А оно само решает, как использовать открытие: во благо или во вред, созидать или разрушать.
В конце 19, начале 20 веков были сделаны открытия, которые дали возможность науке и технике шагнуть далеко вперёд, положили начало развитию атомной и ядерной физики. 

 Цель нашего урока: оценить значение этих открытий для ядерной энергетики и рассмотреть возможность использования законов ядерной физики в теории и на практике.  

Но начнём мы наш урок с повторения ранее изученного материала.

1.) Каков состав натрия, фтора, серебра? ( слайд №3) ( слайд №4)

2.) Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бора α-  частицами.

3.) Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях

        ₁₂Al²⁷+₀n¹        ? + ₂He⁴                           ₂₅Mn⁵⁵+?          ₂₆Fe⁵⁶+₀n¹

4.) какие реакции называют термоядерными?

         Конец 19 – начало 20 веков ученые-физики называют временем чудес потому что им удалось проникнуть в тайны строения материи.

– Какое открытие положило начало изучению строения атома?         
– Кому принадлежит это открытие?
– Были ли последователи у Беккереля в изучении радиоактивности?
– Каковы типы радиоактивных излучений?

       Таким образом, Резерфорд доказал, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц. Существует ли какая либо закономерность изменения числа радиоактивных ядер с течением времени?

       Радиоактивность – доказательство сложного строения атомов. Планетарный атом – детище безумного эксперимента и могучей интуиции.
– Как устроен атом?

– Какая часть атома – ядро или электронная оболочка – претерпевают изменения при радиоактивном распаде? 
– Какой при этом напрашивается вывод? 
– Какие силы удерживают нуклоны в ядре? 
– Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию. Как называется эта энергия? Как можно ее рассчитать?

         Открытие сложности структуры атомных ядер и энергии связи нуклонов в ядре поставило ряд новых вопросов: может ли атомное ядро изменить свое состояние при взаимодействии с другими атомными ядрами и частицами или оно существует только в одном состоянии с одним запасом энергии? Ведь радиоактивный распад означает не разрушение ядра, а ядерную реакцию.

- Что называется ядерной реакцией? 
- Какие законы выполняются при осуществлении ядерных реакций

3. Объяснение нового материала

            Мы уже знаем, что ядерные реакции сопровождаются освобождением огромной энергии.
– Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии. Какие? 
– Как вы думаете, для ядерной энергетики,  какой из способов энергетически выгоден? Почему?

      Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Сейчас ведутся работы в Европе по запуску установки ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Ученые всего мира надеются на успех. ( слайд №5)
Но основной интерес для ядерной энергетики представляет деление тяжелых ядер. Каковы особенности  этой реакции? 

Механизм деления ядра

 ( слайд №6) Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости.

Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующие, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силам электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада.

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 ядро разрывается на две части.

Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Слайд№7

Деление ядер обычно происходит на осколки неравной массы. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

В 1940 году было открыто спонтанное деление ядер урана. Период полураспада для спонтанного деления ядер равен 10¹⁶лет.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.  Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой же реакции.

( слайд №8) Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделяется энергия 2,3*10⁴кВт*ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3т угля или 2,5т нефти
( слайд №9) Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова. Это явилось началом эпохи «мирного» атома. ( слайд №10) ( слайд №11)
– Давайте рассмотрим как устроен  ядерный реактор и  каков принцип его работы?  Учитель: В настоящее время в мире существует пять типов ядерных реакторов. Это реактор ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор), РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), реактор на тяжелой воде, реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром, реактор на быстрых нейтронах. У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его от других, хотя, безусловно, отдельные элементы конструкции могут заимствоваться из других типов. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в основном строились в Америке.

                Параметры этих реакторов лучше всего представить в виде таблицы.  Самостоятельно работаем с учебником (Подготовленные таблицы разложены на партах учащихся). И заполняем таблицу. ( слайд №13)   Проверяем себя

 ( слайд №14)

Реакторы ВВЭР являются самым распространенным типом реакторов в России. 
Характеризуя типы реакторов, стоит сказать следующее: реакторы ВВЭР достаточно безопасны в эксплуатации, но требуют высокообогащенного урана. Реакторы РБМК безопасны лишь при правильной их эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты, но зато способны использовать мало обогащенное топливо или даже отработанное топливо ВВЭР-ов. Реакторы на тяжелой воде всем хороши, но уж больно дорого добывать тяжелую воду. Технология производства реакторов с шаровой засыпкой еще недостаточно хорошо разработана, хотя этот тип реакторов стоило бы признать наиболее приемлемым для широкого применения, в частности, из-за отсутствия катастрофических последствий при аварии с разгоном реактора. За реакторами на быстрых нейтронах – будущее производства топлива для ядерной энергетики, эти реакторы наиболее эффективно используют ядерное топливо, но их конструкция очень сложна и пока еще малонадежна. В России имеется только один реактор такого типа (на Белоярской АЭС). Считается, что такие реакторы имеют большое будущее.

    В России имеется 10 атомных электростанций (АЭС), и практически все они расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.  

Наиболее мощные АЭС в мире в основном сосредоточены в Европе.  
         ( слайд №15)     Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. 
Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности.  А в 1986 г произошла трагедия, последствия которой до сих пор, наводят ужас на мировую общественность – это катастрофа на Чернобыльской АЭС (СССР)   

  ( слайд №17)

(слайды №13; 14) В результате взрыва четвертого блока ЧАЭС в окружающую среду попало около 7,4 тонн радиоактивного вещества. В первые недели основную опасность для населения представляло внешнее Гамма-излучение и наличие изотопа йода-131 в атмосфере. Действительно, данные  изотопного анализа первых проб воздуха, воды и почвы, отобранных в первые дни после аварии, показали, что кроме этого обнаружены изотопы бария-140, лантана-140, цезия-137, церия-134, рутения-103, циркония-95, теллура-132, церия-141, нептуния-239; а в ближайшей зоне, например, в зоне отселения – изотопы стронция-90, плутония-239 и плутония-240.  Союзный   Госкоматом еще в 1987 году сравнил катастрофу на Припяти со взрывом 300 хиросимских бомб. Иностранные специалисты назвали другую цифру – 800 бомб. Не стоит спорить, кто из них прав.

Считается, что при радиационном уровне свыше 15 Ки на квадратный километр жизнь человека невозможна. Территория, прилегающая к АЭС заражена от 15 до 1200 Ки/км2. Причем эта совсем не та радиация, которая поразила жителей гг. Хиросимы и Нагасаки. В богатых пойменных лугах, лесных массивах, заброшенных деревнях зловеще притаились долгоживущие радионуклиды – стронций, цезий, плутоний. Жизнь сюда не вернется ни через 100, ни через 500, а на отдельных участках – ни через 1000 лет. ( слайд №18,19,20)  – Следствие радиационного облучения – лучевая болезнь. Обратите внимание на таблицы, лежащие на ваших партах, а также на таблицу, представленную на экране. В них представлены допустимые и опасные дозы облучения.
В результате аварии на ЧАЭС высокую дозу облучения получили 20 млн. человек.
Таким образом, авария реактора Чернобыльской АЭС ярко высветила значимость проблемы не только в практическом, но и в методологическом отношении.

Ядерная энергия в Казахстане.

4. Закрепление

      В связи с этим надо отметить минусы в применении  ядерных реакторов , то есть неизбежность существования факторов опасности ядерных реакторов, и они достаточно многочисленны.        Попробуйте перечислить некоторые из них:

·                     Возможность аварии с разгоном реактора. При этом вследствие сильнейшего тепловыделения может произойти расплавление активной зоны реактора и попадание радиоактивных веществ в окружающую среду. Если в реакторе имеется вода, то в случае такой аварии она будет разлагаться на водород и кислород, что приведет к взрыву гремучего газа в реакторе и достаточно серьезному разрушению не только реактора, но и всего энергоблока с радиоактивным заражением местности. Аварии с разгоном реактора можно предотвратить, применив специальные технологии конструкции реакторов, систем защиты, подготовки персонала.

·                     Радиоактивные выбросы в окружающую среду. Их количество и характер зависит от конструкции реактора и качества его сборки и эксплуатации. У РБМК они наибольшие, у реактора с шаровой засыпкой наименьшие. Очистные сооружения могут уменьшить их. Впрочем, у атомной станции, работающей в нормальном режиме, эти выбросы меньше, чем, скажем, у угольной станции, так как в угле тоже содержатся радиоактивные вещества, и при его сгорании они выходят в атмосферу.

·                     Необходимость захоронения отработавшего реактора. На сегодняшний день эта проблема не решена, хотя есть много разработок в этой области.

·                     Радиоактивное облучение персонала. Его можно предотвратить или уменьшить применением соответствующих мер радиационной безопасности в процессе эксплуатации атомной станции.

·                     Ядерный взрыв ни в одном реакторе произойти в принципе не может.

Но, безусловно,  есть и плюсы в применении  ядерных реакторов.  Каковы положительные аспекты применения ядерных реакторов?

·                     Широкое и довольно перспективное развитие атомной энергетики и транспорта.

·                     АЭС практически не загрязняют среду, а энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и другие) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и другие). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе.

·                     АЭС не выбрасывают миллионы тонн отходов в виде золы, которые окружают современные электростанции, работающие на угле; они не дают выбросов оксидов серы и азота, угарного и углекислого газов, присущих ТЭС.

·                     АЭС строятся с многократными дублирующими системами защиты.

(слайд № 21) – Как  можно было бы сделать атомные станции более надёжными и безопасными? 
Но  сколько бы ни улучшались системы защиты станций, трудно теперь убедить людей, что аварии невозможны, раз уж они случались.

Возможность аварии на АЭС — самая большая опасность атомной энергетики.

– Как вы думаете, откажется Человечество от использования ядерной энергии? Почему?

Но существует ещё одна опасность атомной энергетики — радиоактивные отходы.  Один из распространённых сейчас способов захоронения радиоактивных отходов — затопление контейнеров с ними в морях и океанах.

Некоторыми учёными был предложен и другой возможный вариант избавления от радиоактивных отходов: различными путями выбрасывать их в ближний или дальний космос — в околоземное или даже околосолнечное пространство. Но загрязнить ещё и космос на многие века пока не решается ни одна страна.

Несколько отечественных физико-технических институтов разработали проект их захоронения, в основу которого положены подземные ядерные взрывы.

– Попробуйте и вы предложить способ захоронения ядерных отходов. Обоснуйте его эффективность и надежность. Это будет вашим домашним заданием.

5. Подведение итогов

Подводя итог сегодняшнему уроку, хочется отметить, что техника и технология нынешнего времени, основанные на новейших достижениях науки, требуют особого, бдительного отношения к себе. Прежде чем их создавать и использовать, нужно просчитать и предвидеть последствия, причем во множестве аспектов (а не в одном!).

(слайд №22) С техникой XX и начала XXI века нужно быть на Вы. Проблемы нравственности и ответственности перед Людьми, Миром и Жизнью за научно-технические творения и связанные с ними решения приобретают для деятелей науки и техники, руководителей всех рангов этих отраслей и государства первостепенное значение.

Ныне, каждый должен отчетливо понимать опасность, которая исходит от техники при бездумном, неграмотном или безнравственном отношении с нею.

Закончить урок мне бы хотелось следующими словами: (слайд №23)

Целый мир, охватив от земли до небес,
Всполошив не одно поколение,
По планете шагает научный прогресс. 
Что стоит за подобным явлением?

Человек вышел в космос и был на Луне. 
У природы все меньше секретов. 
Но любое открытье – подспорье войне: 
Тот же атом и те же ракеты…

Как использовать знанье – забота людей. 
Не наука – ученый в ответе. 
Давший людям огонь – прав ли был Прометей,
Чем прогресс обернется планете?

6. Домашнее задание: § 8.10.   Предложить способ захоронения ядерных отходов.