Конспект уроку в 11 класі Фізичні основи ядерної енергетики. Енергія звязку атомного ядра

Урок № ___ Фізичні основи ядерної енергетики. Енергія зв'язку атомного ядра.

Мета уроку: ознайомити учнів з новим видом ядерної реакції, що дозволяє одержати велику кількість ядерної енергії; увести поняття про міцність атомних ядер; з'ясувати фізичний зміст поняття «дефект мас».

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

КМЗ : таблиця, презентація, картки із задачами, підручники.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань

3 хв.

1. Що таке ядерної реакції? Наведіть два-три приклади ядерних реакцій.

2. Які умови перебігу ядерних реакцій?

Вивчення нового матеріалу

30 хв.

1. Ланцюгові реакції ділення.

2. Керована ланцюгова ядерна реакція.

3. Ядерний реактор.

4. Реактор на повільних і швидких нейтронах.

5. Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер в електричну енергію

6. Що характеризує міцність ядер?

7. Дефект мас.

8. Питома енергія зв'язку.

9. Реакції синтезу.

10. Реакції ділення

Закріплення вивченого матеріалу

12 хв.

1. Навчаємося розв'язувати задачі.

2. Контрольні питання

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.

6. Що характеризує міцність ядер?

Ядерні сили - найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день. Вони не тільки майже повністю пригнічують взаємну антипатію протонів, що на таких малих відстанях досить значна, але й зв'язують їх у винятково міцну родину.

Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користуються одним універсальним поняттям, придатним для будь-яких тіл, молекул, атомів і ядер, - енергією зв'язку.

Про міцність того або іншого утворення судять за тим, наскільки легко або складно зруйнувати його: чим складніше його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро - це означає розірвати зв'язки між його нуклонами або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв'язку між ними.

Ø Енергію зв'язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові - нуклони.

Значення енергії зв'язку ядра дуже складно обчислити теоретично, однак тут на допомогу приходить відкрите Ейнштейном співвідношення між масою й енергією:

Ø тіло масою m, що перебуває у спокої, має енергію Е = mс2, де с - швидкість світла.

Якщо енергія тіла змінюється на ΔЕ, то маса цього тіла змінюється на

7. Дефект мас

Виміри мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів:

Різниця називається дефектом мас. Дефект мас є мірою енергії зв'язку атомного ядра. Якщо ΔЕсв - енергія зв'язку ядра, що виділяється під час його утворення, то відповідна їй маса характеризує зменшення сумарної маси всіх нуклонів під час утворення ядра. Отже:

Про те, наскільки велика енергія зв'язку, можна судити за таким прикладом: утворення 4 г гелію супроводжується виділенням такої ж енергії, що й під час згоряння 1,5-2 вагонів кам'яного вугілля.

8. Питома енергія зв'язку

Чим більше протонів у ядрі, тобто чим більше заряд Ze ядра, тим сильніше кулонівське відштовхування між протонами. Тому, щоб вони не розліталися під дією кулонівських сил, для стабілізації ядра потрібне більше число нейтронів.

Для характеристики міцності ядер зазвичай беруть енергію зв'язку, що припадає на один нуклон.

Ø Енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку.

За малих Z число нейтронів N = Z, а за більших Z (у ядрах важких елементів) навіть значне число нейтронів у ядрі (N ≈ 1,6Z) уже не може перешкоджати його розпаду. Останнім стабільним ядром, що має максимальне число протонів, є свинець (Z = 82).

9. Реакції синтезу

Питома енергія зв'язку була виміряна експериментально практично для всіх ядер. Із графіка залежності питомої енергії зв'язку від масового числа ядра випливає, що ядро Гелію 42Не є особливо стабільним: воно характеризується значно більшою питомою енергією зв'язку, ніж легші ядра ізотопів Гідрогену Дейтерію 21Н й Тритію 31Н (вони містять, відповідно, 2 і 3 нейтрони). Звідси випливає, що утворення ядер Гелію з ядер цих ізотопів Гідрогену, наприклад, під час виконання реакції є енергетично дуже вигідним, тобто при цьому виділяється більша енергія.

Ø Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.

Описана реакція синтезу стає можливою, коли ядра дейтерію й тритію зближаються на дуже малу відстань - таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили. Але оскільки ядра заряджені однойменно, між ними діє сила електричного відштовхування. Щоб подолати дію цієї сили, ядра, що зіштовхуються, повинні мати значну кінетичну енергію, а це означає, що для здійснення реакції синтезу необхідна дуже висока температура - десятки мільйонів градусів. Тому ядерні реакції синтезу називають часто термоядерними.

10. Реакції ділення

Із графіка залежності питомої енергії зв'язку видно, що найбільш стабільними є ядра з масовими числами від 50 до 60, оскільки для цих ядер енергія зв'язку максимальна. Це ядра заліза й близьких до нього (за масовим числом) ядер.

Ø Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією ділення.

Отже, розщеплення (розподіл) важких ядер, коли продуктами реакції є ядра елементів із середини таблиці Менделєєва, є енергетично вигідним: при цьому виділяється енергія.

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?

1. Як охарактеризувати міцність ядер?

2. Як залежить міцність ядер атомів від їхньої енергії зв'язку?

3. Чому ядро Купруму стійке, а ядро Урану нестійке?

4. Наведіть приклад реакції синтезу. Наведіть приклад реакції ділення.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому енергія зв'язку атома Гідрогену 11Н дорівнює нулю?

Розв'язання

Ядро атома Гідрогену складається з одного протона.

2. Чому питома енергія зв'язку у важких ядрах убуває зі збільшенням масового числа.

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?

Розв'язання

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.

1. Визначте дефект мас і енергію зв'язку ядра атома 23592U.

Розв'язання

Дефект мас ядра визначаємо за формулою:

У таблицях мас ізотопів наводять значення мас нейтральних атомів, а не маси ядер. Тому цю формулу доцільно перетворити так, щоб замість маси даного ядра Мn в неї входила маса відповідного нейтрального атома Ма.

Оскільки Mя =Ma - Zme, то ΔM = Zmp + Nmn - (Ma - Zme), або ΔM= Z(mp + me) + Nmn - Ma. Але mр + mе = m11Н. Отже, остаточно одержуємо ΔM = (Zm11Н + Nmn) - Мa. З таблиць беремо такі дані:m11Н = 1,00783 а. е. м., mn = 1,00866 а. е. м., Мa = 235,04394 а. е. м. Підставляючи в останню формулу числові значення мас в а. е. м., одержуємо:

ΔM = 92·1,00783 + 143·1,00866 - 235,04394 = 1,9148 (а. е. м.).

Якщо ми хочемо одержати енергію зв'язку в джоулях, то дефект мас потрібно виразити в кілограмах.

З огляду нате, що 1 а. о. м. = 1,66057·10-27 кг, одержуємо:

Підставляючи це значення дефекту мас у формулу ΔЕ0 = Δmс2, одержуємо:

Виділяється чи поглинається енергія за такої ядерної реакції

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.

· Енергію зв'язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові - нуклони.

· Тіло масою т, що перебуває у стані спокою, має енергію Е =mс2, де с - швидкість світла.

· Різниця ΔM = Zmp + Nmn - Мa називається дефектом мас.

· Енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку.

· Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.

· Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією розподілу.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 31 (п. 2).

2. 3б.: № 17.54; 17.55; 17.56; 17.59.