Урок физики в 9 классе «Ядерный реактор. Атомная энергетика»

Урок физики в 9 классе.

Тема: Ядерный реактор. Атомная энергетика.

Цель урока: изучить устройство ядерного реактора, выявить преимущества и недостатки использования энергии атома.

Задачи:

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

• Развивать творческую активность детей.

• Воспитывать чувство гражданской ответственности и патриотизма.

Методы обучения: беседа, рассказ, иллюстрация.

Тип урока: урок-беседа.

Ход урока:

1. Организационный момент:

2. Повторение изученного.

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. Изменяются ли массовое число, масса и порядковый номер элемента при испускании ядром -кванта?

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

1. Ядро какого элемента получится в результате одного бетта-распада и двух альфа-распадов ядра изотопа висмута (массовое число 210 и порядковый номер 83).

2. При бомбардировке ядра алюминия-27 нейтронами образуется новое ядро и a-частица. Записать ядерную реакцию и определить, ядро какого элемента при этом образуется.

3. Ядро тория-230 превратилось в ядро радия-226. какую частицу выбросило ядро тория? Напишите реакцию.

План урока.

1. Информация о развитии физики атомного ядра.

2. Ядерный реактор.

3. Атомная энергетика.

Открытие деления тяжёлых ядер привело к возникновению и развитию ядерной (или атомной) энергетики, основанной на использовании энергии, запасённой внутри ядра атома. Установки, на которых эта энергия преобразуется в электрическую, получили название атомных электростанций (сокращённо АЭС).

На современных АЭС для получения электроэнергии используется энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции деления. А в качестве источника ядерной энергии используется преимущественно уран-двести тридцать пять.

Давайте вспомним, что цепной называется реакция, в которой частицы, вызывающие ядерную реакцию распада, образуются как продукты этой же реакции.

Как мы уже знаем, цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой.

Чтобы управлять цепной ядерной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов, делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным. Это стало возможным, благодаря изобретению ядерного реактора.

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов.

На прошлом уроке мы упоминали о том, что самый первый в мире ядерный реактор был построен в США Энерико Ферми в 1942 году. Назывался он «Чикагская поленница-1».

А первый советский атомный реактор был построен в 1946 году под управлением Игоря Васильевича Курчатова. Проект получил название «Первый физический реактор».

Как правило, ядерный реактор имеет пять основных составных частей. Главную часть реактора называют активной зоной.

В активной зоне расположены тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), имеющие трубчатую форму и содержащие топливо. Именно в них идёт цепная реакция. Масса топлива в каждом ТВЭЛе значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех стержней, то есть когда масса делящегося вещества достигнет критического значения.

Топливо для реактора представляет собой «таблетки» одного из трёх радиоактивных изотопов: урана-235, урана-238 или плутония-239, и запакованные в ТВЭЛы. Топливо в реакторах работает от 3 до 5 лет, после чего ТВЭЛы извлекают из реактора и заменяют на новые.

Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.

Чтобы ядерное топливо использовалось максимально эффективно, в активную зону реактора вводят замедлители, которые замедляют нейтроны, выделяющиеся при цепных реакциях. В качестве замедлителей чаще всего используют графит, который состоит из чистого углерода или тяжёлую воду, в состав которой входит дейтерий.

Давайте вспомним, зачем нужны замедлители нейтронов. Итак, средняя энергия нейтронов, появляющихся в реакторе, около двух мегаэлектронвольт. Если энергия нейтронов меньше одной десятой электронвольта, то их называют тепловыми, так как их скорости близки к скорости теплового движения. Если же энергия нейтронов больше одной десятой мегаэлектронвольта, а модуль их скорости порядка десяти миллионов метров в секунду, то нейтроны называют быстрыми. Замедлитель эффективно отбирает энергию у быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления. Нейтроны замедляются (отсюда и название вещества — замедлитель) до энергий порядка долей электронвольта. Под действием медленных (тепловых) нейтронов хорошо делятся изотопы урана-235, при этом выделяется в среднем 170 МэВ энергии в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Также хорошо под действием тепловых нейтронов делятся изотопы плутония-239 и урана-233, которые в природе не встречаются и получаются искусственным путём.

Для управления цепной реакцией в реакторе предусмотрены регулирующие стержни, которые состоят из материалов (чаще соединения кадмия или бора), поглощающих нейтроны.

1. Для того чтобы остановить цепную реакцию, регулирующие стержни полностью погружают в активную зону реактора.

2.Чтобы заново запустить реактор, стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнётся цепная реакция деления ядер урана. Обычно всё это происходит автоматически. Однако в случае внештатных ситуаций предусмотрена и ручная регулировка погружения стержней.

3. Для отвода из активной зоны реактора выделяющейся энергии, чаще всего используется вода. Она нагревается стенками ТВЭЛов в среднем до 320 ^оС и под давлением порядка 100 атм выводится из активной зоны.

Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.

Как мы уже говорили, снаружи активная зона реактора окружена отражателем нейтронов.А поверх отражателя располагаются стальной корпус реактора и защитный слой бетона, которые ослабляют радиоактивное излучение до биологически безопасного уровня.

Сейчас существует огромное количество разнообразных реакторов. В связи с чем их принято делить на следующие типы:

Исследовательские — с их помощью получают мощные пучки нейтронов для научных целей.

Энергетические реакторы служат, в основном, для промышленной выработки электричества.

В теплофикационных реакторах вырабатывают тепло для нужд промышленности и теплофикации.

Есть реакторы воспроизводящие, в которых из изотопа урана-двести тридцать восемь и изотопа тория получают делящиеся материалы плутония и изотопа урана двести тридцать три.

А также принято выделять транспортные реакторы. Из названия понятно, что их используют в двигательных установках кораблей и подводных лодок.

Итак, как мы упоминали в самом начале урока, выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях. Первая в мире АЭС была построена в СССР в городе Обнинске и дала ток 27 июня 1954 года. Её мощность составляла всего 5 МВт.

Сейчас, несмотря на опасности, связанные с радиоактивным излучением, а также принципиальной возможностью взрыва, ядерная энергетика развивается во всём мире и является одним из самых перспективных на сегодняшний день направлений. Это обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, запасы угля, нефти и природного газа, используемые на тепловых электростанциях, стремительно сокращаются. Кроме того, используемое на ТЭС топливо содержит в себе от полутора до четырёх с половиной процентов серы. Образующийся при сгорании сернистый ангидрид частично выбрасывается в атмосферу, где, после взаимодействия с атмосферной влагой, превращается в раствор серной кислоты и в виде кислотных дождей выпадает на землю.

Почти исчерпали себя и возможности дальнейшего развития гидроэнергетики. Дело в том, что при строительстве гидроэлектростанций отчуждаются огромные площади земли, в связи со строительством водохранилищ и образованием вследствие этого болот.

Получение энергии из возобновляемых источников энергии — Солнца и ветра — до сих пор остаётся проблемой будущего. Ведь, как оказалось, для строительства таких электростанций большой мощности также требуются огромные территории.

Во-вторых, атомные электростанции с экологической точки зрения более безопасны. Они не загрязняют атмосферу дымом и пылью, как это делают тепловые электростанции, и не нарушают природное равновесие, что неотвратимо при строительстве гидроэлектростанций.

При этом производимая энергия на АЭС становится намного дешевле энергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях.

Но в атомной энергетике есть и свои проблемы.

1. Одной из основных и очень серьёзных проблем является хранение и переработка радиоактивных отходов. К сожалению, на сегодняшний день не существует абсолютно безопасных методов захоронения ядерных отходов, поскольку при существующих технологиях не исключена вероятность их утечки в окружающую среду.

Так, например, в сентябре 1957 года произошла первая в СССР радиационная чрезвычайная ситуация техногенного характера на химическом комбинате «Маяк», расположенном в закрытом городе Челябинск-40. Она получила название «Кыштымская авария», по ближайшему городу Кыштыму, который был обозначен на картах. В результате мощного взрыва ёмкости для хранения радиоактивных отходов в атмосферу было выброшено огромное количество радиоактивных веществ на высоту до двух километров, и произошёл сброс радиоактивных отходов в реку Теча. В результате аварии была загрязнена огромная территория с населением более 270 тысяч человек в 217 населённых пунктах.

2. Вторая проблема связана с необходимостью защиты людей и окружающей среды от возможного воздействия нейтронов и гамма-излучений.

Всем известно о катастрофе, произошедшей на четвёртом блоке Чернобыльской атомной станции в апреле 1986 года. В результате нарушения технологических процессов произошло перегревание активной зоны. Последующий за этим взрыв разрушил оболочку реактора. Большое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Кратковременному заражению короткоживущими изотопами подверглись огромные территории. Долговременное заражение сделало невозможными для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали наиболее опасные изотопы стронция, цезия и радиоактивного йода.

А не так давно, 11 марта 2011 года, в результате сильнейшего в истории Японии землетрясения и последовавшего за ним цунами, произошла крупная авария на АЭС Фукусима-один. В декабре тринадцатого года АЭС была официально закрыта. На её территории до сих пор продолжаются работы по ликвидации последствий аварии. По предварительным оценкам, для приведения объекта в стабильное, безопасное состояние может потребовать до 40 лет.

В заключении урока отметим, что в настоящее время для развития ядерной энергетики необходимо научиться использовать термоядерный синтез. Это связано с тем, что продуктами этих реакций являются лёгкие стабильные изотопы, не загрязняющие окружающую среду.

Итоги урока.

Рефлексия.

Итак, ребята, что мы сегодня на уроке с вами изучили?

Оценки за урок.

Домашнее задание п.59,60

Подготовить презентации на тему:

1. Причины аварии на Чернобыльской АЭС.

2. Причины аварии на «Фукусима – 1»

3. АЭС России.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/540294-urok-fiziki-v-9-klasse-jadernyj-reaktor-atomn