Физические основы атомной энергетики. Ядерный реактор.

Тема: Физические основы атомной энергетики. Ядерный реактор.
Цели урока: актуализация имеющихся знаний; продолжить формирование понятий: деление ядер урана, цепная ядерная реакция, условия её протекания, критическая масса; ввести новые понятия: ядерный реактор, основные элементы ядерного реактора, устройство ядерного реактора и принцип его действия, управление ядерной реакцией, классификация ядерных реакторов и их использование; продолжить формирование умений наблюдать и делать выводы, а также развивать интеллектуальные способности и любознательность учащихся; продолжить воспитание отношения к физике как к экспериментальной науке; воспитывать добросовестное отношение к труду, дисциплинированность, положительное отношение к знаниям.
Тип урока: изучение нового материала.
Ход урока
1. Организационный момент.
Сегодня на уроке мы с вами повторим деление ядер урана, цепную ядерную реакцию, условия её протекания, критическую массу, узнаем, что такое ядерный реактор, основные элементы ядерного реактора, устройство ядерного реактора и принцип его действия, управление ядерной реакцией, классификацию ядерных реакторов и их использование.
2. Проверка изученного материала.
Механизм деления ядер урана.
Расскажите о механизме протекания цепной ядерной реакции.
Приведите пример ядерной реакции деления ядра урана.
Что называется критической массой?
Как идет цепная реакция в уране, если его масса меньше критической, больше критической?
Чему равна критическая масса урана 295, можно ли уменьшить критическую массу?
Какими способами можно изменить ход цепной ядерной реакции?
С какой целью замедляют быстрые нейтроны?
Какие вещества используют в качестве замедлителей?
3. Объяснение нового материала.
: А что является главной частью любой атомной электростанции? (ядерный реактор)
Молодцы. Итак, ребята сейчас более подробно остановимся на этом вопросе.
Историческая справка.
Игорь Васильевич Курчатов выдающийся советский физик, академик, основатель и первый директор Института атомной энергии с 1943 г. по 1960 г., главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях. Академик АН СССР (1943). Испытания первой атомной советской бомбы проводились в 1949 году. Через четыре года проводились успешные испытания первой в мире водородной бомбы. А в 1949 году Игорь Васильевич Курчатов начал работу над проектом атомной электростанции. Атомная электростанция – вестник мирного использования атомной энергии. Проект был успешно закончен: 27 июля 1954 наша атомная электростанция стала первой в мире! Курчатов ликовал и веселился как ребенок!
Определение ядерного реактора.
Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.
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.
Основными элементами ядерного реактора являются:
ядерное горючее(уран 235, уран 238, плутоний 239);
замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит и др.);
теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);
Регулирующие стержни (бор, кадмий) - сильно поглощающие нейтроны
Защитная оболочка, задерживающая излучения (бетон с железным наполнителем).
Принцип действия ядерного реактора
Ядерное топливо располагается в активной зоне в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). ТВЭЛы предназначены для регулирования мощности реактора.
Масса каждого топливного стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может. Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней.
Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель) и защитной оболочкой из бетона, задерживающего нейтроны и другие частицы.
Отвод тепла от топливных элементов. Теплоноситель - вода омывает стержень, нагретая до 300°С при высоком давлении, поступает в теплообменники.
Роль теплообменника - вода, нагретая до 300°С, отдает тепло обычной воде, превращается в пар.
Управление ядерной реакцией
Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях К > 1, а при полностью вдвинутых К < 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Реактор на медленных нейтронах.
Наиболее эффективное деление ядер урана-235 происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их последующее взаимодействие с ядрами урана-235 в цепной реакции было наиболее эффективно, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель вещество, уменьшающее кинетическую энергию нейтронов.
Реактор на быстрых нейтронах.
Реакторы на быстрых нейтронах не могут работать на естественном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа урана. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.
Гомогенные и гетерогенные реакторы.
Ядерные реакторы в зависимости от взаимного размещения горючего и замедлителя подразделяются на гомогенные и гетерогенные. В гомогенном реакторе активная зона представляет собой однородную массу топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раствора, смеси или расплава. Гетерогенным называется реактор, в котором топливо в виде блоков или тепловыделяющих сборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическую решетку.
Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию.
Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), преобразующей тепловую ядерную энергию в электрическую. Преобразование энергии происходит по следующей схеме:
внутренняя энергия ядер урана
кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер
внутренняя энергия воды
внутренняя энергия пара
кинетическая энергия пара
кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора
электрическая энергия.
Использование ядерных реакторов.
В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и размножители, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.
Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, атомных теплоэлектроцентралях, а также на атомных станциях теплоснабжения.
Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или размножителями. В реакторе-конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше первоначально израсходованного.
В реакторе-размножителе осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получается больше, чем было затрачено.
Исследовательские реакторы служат для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма-излучений, радиохимических в биологических исследований, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.
Реакторы имеют различную мощность, стационарный или импульсный режим работы. Многоцелевыми называются реакторы, служащие для нескольких целей, например, для выработки энергии и получения ядерного топлива.
Экологические катастрофы на АЭС
1957 г. – авария в Великобритании
1966 г. – частичное расплавление активной зоны после выхода из строя охлаждения реактора неподалеку от Детройта.
1971 г. – много загрязненной воды ушло в реку США
1979 г. – крупнейшая авария в США
1982 г. – выброс радиоактивного пара в атмосферу
1983 г. – страшная авария в Канаде (20 минут вытекала радиоактивная вода – по тонне в минуту)
1986 г. – авария в Великобритании
1986 г. – авария в Германии
1986 г. – Чернобыльская АЭС
1988 г. – пожар на АЭС в Японии
Современные АЭС оснащены ПК, а раньше даже после аварии реакторы продолжали работать, так как не было автоматической системы отключения.
4. Закрепление материала.
Что называют ядерным реактором?
Что является ядерным горючим в реакторе?
Какое вещество служит замедлителем нейтронов в ядерном реакторе?
Каково назначение замедлителя нейтронов?
Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?
Что используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах?
Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?
5. Выполнение теста.
Какие частицы участвуют в делении ядер урана?А. протоны;Б. нейтроны;В. электроны;Г. ядра гелия.
Какая масса урана является критической?А. наибольшая, при которой возможно протекание цепной реакции;Б. любая масса;В. наименьшая, при которой возможно протекание цепной реакции;Г. масса, при которой реакция прекратится.
Чему приблизительно равна критическая масса урана 235?А. 9 кг;Б. 20 кг;В. 50 кг;Г. 90 кг.
Какие вещества из перечисленных ниже могут быть использованы в ядерных реакторах в качестве замедлителей нейтронов?А. графит;Б. кадмий;В. тяжёлая вода;Г. бор.
Для протекания цепной ядерной реакции на АЭС нужно, чтобы коэффициент размножения нейтронов был:А. равен 1;Б. больше 1;В. меньше 1.
Регулирование скорости деления ядер тяжелых атомов в ядерных реакторах осуществляется:А. за счет поглощения нейтронов при опускании стержней с поглотителем;Б. за счет увеличения теплоотвода при увеличении скорости теплоносителя;В. за счет увеличения отпуска электроэнергии потребителям;Г. за счет уменьшения массы ядерного топлива в активной зон при вынимании стержней с топливом.
Какие преобразования энергии происходят в ядерном реакторе?А. внутренняя энергия атомных ядер превращается в световую энергию;Б. внутренняя энергия атомных ядер превращается в механическую энергию;В. внутренняя энергия атомных ядер превращается в электрическую энергию;Г. среди ответов нет правильного.
В 1946 году в Советском Союзе был построен первый ядерный реактор. Кто был руководителем этого проекта?А. С. Королев;Б. И. Курчатов;В. Д. Сахаров;Г. А. Прохоров.
Какой путь вы считаете самым приемлемым для повышения надежности АЭС и предотвращения заражения внешней среды?А. разработка реакторов, способных автоматически охладить активную зону реактора независимо от воли оператора;Б. повышение грамотности эксплуатации АЭС, уровня профессиональной подготовленности операторов АЭС;В. разработка высокоэффективных технологий демонтажа АЭС и переработки радиоактивных отходов;Г. расположение реакторов глубоко под землей;Д. отказ от строительства и эксплуатации АЭС.
Какие источники загрязнения окружающей среды связаны с работой АЭС?А. урановая промышленность;Б. ядерные реакторы разных типов;В. радиохимическая промышленность;Г. места переработки и захоронения радиоактивных отходов;Д. использование радионуклидов в народном хозяйстве;Е. ядерные взрывы.
Ответы: 1 Б; 2 В; 3 В; 4 А, В; 5 А; 6 А; 7 В;. 8 Б; 9 Б. В; 10 А, Б, В, Г, Е.
6. Итоги урока.
- Что нового узнали сегодня на уроке?
- Что понравилось на уроке?
- Какие есть вопросы?