Урок физики в 11 классе

Урок № 60 11 класс Дата_______

Тема урока: Ядерный реактор. Ядерная энергетика. Термоядерные реакции

Цели урока:

• Научить анализировать информацию с последующей её обработкой путем восприятия и самостоятельного анализа фактов;

• Развивать творческую активность детей.

• Воспитывать чувство гражданской ответственности , патриотизма.

Тип урока: комбинированный

Оборудование: электронная презентация, карточки с заданиями .

Ход урока:

1. Организационный момент: приветствие, проверка наличия учащихся в классе

2. Актуализация:

Одной части класса раздаются карточки с табличками, другой - карточки с задачами, третья работает с учителем:

Задание для 1 группы:

1. Допишите ядерные реакции

1. ₁₉К⁴¹ + ____________ ₂₀ Са⁴⁴ + ₁Н¹

2. ₈0Hg ¹⁹⁸ + ____________ ₇₉ Au¹⁹⁸ +₁ Н¹

2. . Какая частица выделится при реакции

Другая группа отвечает на вопросы:

1. Что представляет собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?

2. Что представляет собой атом согласно модели, выдвинутой Резерфордом?

3. Какая часть атома - ядро или электронная оболочка - претерпевают изменения при радиоактивном распаде?

4. Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

5. . Как называются протоны и нейтроны вместе?

6. Что называется ядерной реакцией?

7. Есть ли разница между естественной радиоактивностью и ядерной реакцией?

8. Объясните механизм ядерной реакции.

9. Какими частицами выгодно осуществлять ядерные реакции?

10. Что называется энергией ядерной реакции?

11. Как получают искусственную радиоактивность

Оставшаяся группа решает задачи:

1) Вычислите энергетический выход реакции

Масса атома алюминия 26,981539 а. е. м., атома кремния 29,973763 а. е. м. 26,981539 а. е. м., атома кремния 29,973763 а. е. м.

2. « α, - β, + β » В какой элемент превратится ₈₁Tl²¹⁰ после трех последовательных β-распадов и одного альфа распада?

3. Изучение нового материала:

Масса покоя ядра > суммы масс осколков, оставшихся после деления ядер тяжелых элементов.

Масса покоя ядра < суммы масс покоя, ядер, из которых образуются ядра легких элементов.

При синтезе легких ядер, масса покоя уменьшается, при этом выделяется большое количество энергии. Слияние легких ядер может происходить при очень высоких температурах, поэтому они и получили название термоядерные реакции.

Термоядерный синтез - это реакция слияния легких ядер при очень высоких температурах.

Чтобы произошло слияние ядер надо уменьшить расстояние между ними до 10-14м, чтобы между ядрами начали действовать силы. Кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами препятствует этому процессу. Его преодолевают за счет кинетических энергий нуклонов.

Энергия, выделяющаяся при синтезе легких ядер ≈ в 3,5 раза больше энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде.

Цепных реакций деления в природе не наблюдается, в то время как термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной.

Это энергия излучения Солнца и звезд. При рождении звезды она состоит из водорода с большой температурой внутри, при которой идут реакции синтеза с образованием новых ядер гелия. Ядра гелия превращаются затем в ядра более тяжелых элементов.

С середины 20 века ученые разных стран пытаются осуществить управляемую термоядерную реакцию, которая дала бы новый неисчерпаемый источник энергии для решения всех энергетических проблем.

Наиболее перспективной считается реакция слияния дейтерия с тритием, при которой выделяется 17,6 MэВ энергии.

По плакату, объяснить, почему эта реакция считается экономически наиболее выгодной.

Устройство, называемое токомак, на котором возможен (так считают ученые) управляемый термоядерный синтез, начали создавать в нашей стране под руководством академиков Арцимовича и Леонтовича в 60-е годы 20 века.

Пока же удалось осуществить только неуправляемую термоядерную реакцию - это водородная бомба, которая дает более мощный взрыв по сравнению с атомной бомбой.

Водородная бомба - это оружие большой разрушительной силы (порядка мегатонн в тротиловом эквиваленте). Принцип действия водородной бомбы основан на реакции термоядерного синтеза легких ядер, источником энергии взрыва являются процессы, аналогичные процессам, протекающим на Солнце и других звездах.

Впервые идею оружия, основанного на реакции синтеза тяжелых ядер из более легких (в отличие от обычной атомной бомбы, которая использует принцип деления ядер тяжелых элементов на более легкие) летом 1942 года выдвинул американский ученый, венгр по происхождению, Эдвард Теллер.

В начале 1950 годов ученые США приступили к реализации проекта по созданию водородной бомбы. Первые испытания модельного ядерного устройства были проведены на полигоне Эниветок весной 1951 года; термоядерный синтез был лишь частичным.

Значительный успех был достигнут 1 ноября 1952 года, когда над атоллом Эниветок (Маршалловы острова в Тихом океане) был произведен взрыв специального устройства типа водородной бомбы под кодовым названием «Майк». Это было громоздкое экспериментальное устройство, еще совершенно не пригодное для военного применения, но начало производству супероружия было положено.

Официально об этом будет сообщено только 2 февраля 1954 года. Взорванное в США устройство не было настолько компактным, чтобы его можно было назвать бомбой, которую можно было бы доставить на самолете или ракете. Это было огромное, наземное лабораторное сооружение, представлявшее собой более чем 50-тонный куб высотой с двухэтажный дом и длиной ребра 7,5 м. Оно весило 82 тонны благодаря криогенной холодильной установке, сохраняющей термоядерное горючее, которое находилось в жидком состоянии при температуре, близкой к абсолютному нулю. Мощность взрыва составляла 10,4 мегатонны, что превышала примерно в 500 раз мощность первых плутониевых бомб и почти в 1000 раз - бомбы, сброшенной на Хиросиму. Ударная волна взрыва была зарегистрирована сейсмическими станциями всего мира; это было первое землетрясение, спровоцированное человеком. В тот день идиллический островок, называемый Элугелаб входящий в состав атолла Эниветок (группа Маршаловых островов) прекратил свое существование. На его месте образовался кратер диаметром 1,5 км и глубиной 150 м. Несмотря на экспериментальные данные, полученные в результате, позднее это супердорогостоящее испытание было признано излишним.

Подвела и погода - по прогнозу, ветер должен был дуть на север, но он задул на юг, в результате чего под радиоактивный пепел попала японская рыбацкая шхуна, команда которой заболела лучевой болезнью. Именно с тех пор возник вопрос о целесообразности продолжения испытаний ядерного оружия в атмосфере и в океанской толще.
Беспилотные самолеты пролетали сквозь взрывное облако и собирали радиоактивную пыль для научных исследований. Позднее были переработаны центнеры коралловой породы с окружающих островов. В этих остатках термоядерного взрыва в декабре 1952 года американские ученые нашли 99-й элемент, а спустя некоторое время, в марте следующего года - 100-й элемент, теперь именуемые эйнштейнием и фермием.
Испытание первой водородной бомбы носило скорее политический характер. Оно подтолкнуло советских ученых на создание своей водородной бомбы. 8 августа 1953 года в СССР было испытано несравненно более совершенное устройство, вполне пригодное для использования в боевых условиях.

Неуправляемый синтез взрывного типа в водородных бомбах может погубить нашу цивилизацию, если выяснять отношения между странами будут с их помощью.

Ядерный реактор на тепловых нейтронах. Перенос тепла можно представить в виде простой схемы:

Любой ядерный реактор состоит из следующих основных частей:

1. Активная зона, где происходит цепная реакция;

2. Замедлитель нейтронов;

3. Теплоноситель, уносящий выделяемую энергию из активной зоны;3отражатель нейтронов;

4. Стержни, регулирующие скорость цепных реакций;

5. Стальная защитная оболочка;

6. Железобетонная биологическая защита;

7. Автоматическая система управления.

В качестве ядерного горючего используют уран - 235. Приготовленные из обогащенного урана так называемые тепловые элементы помещают в стальную, герметически закрытую трубку. Трубку помещают в замедлитель нейтронов - вода или тяжелая вода (в зависимости от типа реактора в качестве замедлителя используют и графит).

Энергию, выделяемую во время реакции, уносят с помощью теплоносителя. В основном в качестве теплоносителя используют обычную воду под высоким давлением. Высокое давление не дает воде закипеть. Хорошими теплоносителями являются тяжелая вода, водяной пар, газ гелия, жидкий натрий.

Активную зону окружают бериллиевым слоем, который уменьшает рассеивание нейтронов во внешнюю среду и отражает их. Снаружи окружают стальным панцирем для защиты от сильно проникающих γ- лучей и нейтронов, а его еще раз окружают железобетоном толщиной в несколько метров. Скорость реакции меняется с помощью регулирующих стержней из бора и кадмия. Когда регулирующие стержни полностью введены в активную зону, реактор не работает. Основная часть нейтронов поглощается, цепная реакция не развивается. До того как начавшаяся реакция не стабилизируется, регулирующие стержни постепенно вынимаются. Когда мощность реактора начинает превышать установленный уровень, регулирующие стержни автоматически вводятся в активную зону.

Большая часть энергии, освобожденной на ТЭ во время цепных реакций, преобразуется в кинетические энергии осколков и нейтронов, а остальная часть - в электромагнитную γ-квантами. Осколки и нейтроны, проходя через воду, нагревают ее до высокой температуры (до 330 С). Высокотемпературную воду с помощью насоса приводят в движение по первому замкнутому контуру, состоящему из реактора, труб и теплообменника.

Реактор на быстрых нейтронах. В обогащенном уране с содержанием уран - 235 до 20% - 30% цепная реакция может идти и без замедления нейтронов. Реактор без замедления - реактором на быстрых нейтронах. Приблизительно 1/3 быстрых нейтронов, освобождающихся в процессе цепной реакции, поглощаются ядрами изотопами урана - 238. По лученный изотоп уран - 239 через 23 мин в результате β- распада превращается в изотоп нептуния.

Np - 239 - первый трансурановый химический элемент, полученный искусственным путем. Нептуний сам β- радиоактивен, в процессе распада превращается во второй трансурановый элемент - плутоний.

3. Закрепление материала:

   1. Опрос:

• Какую реакцию - делением ядер?

• Почему при делении ядер урана вылетают несколько нейтронов?

• Как осуществляется цепная ядерная реакция?

• На какие типы делятся нейтроны по своим энергиям?

• Почему не происходит цепная ядерная реакция в уране - 238?

• Что называют критической массой?

• Какую опасность представляет атомная бомба для человека?

Обобщаю ответы учащихся.

Решение задач: № 10.2, 11.3

5. Подведение итогов урока, оценки

6. Домашнее задание: § 8.10, 8.11, № 10.3, 11.1